中心議題：
- 車載電源電路結(jié)構(gòu)與功能分析
解決方案：
- SPWM調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生
- 過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
- 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車越來(lái)越與人們的生活息息相關(guān)，而汽車用的直流電壓一般為12V，不能為便攜式電子設(shè)備直接使用。為此，車載電源(就是把直流12 V電壓轉(zhuǎn)換成交流220 V／50 Hz電源)的研制日益引起人們的重視。
傳統(tǒng)車載電源一般采用逆變器加工頻變壓器的方案，它存在體積大、效率低等缺陷。隨著新型電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻鏈的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)工頻變壓器的逆變電路，可以很好地解決傳統(tǒng)車載電源存在的問(wèn)題，同時(shí)能保證車載電源的輸出電壓更穩(wěn)定、更平滑。
1 車載電源電路結(jié)構(gòu)與功能分析
車載電源系統(tǒng)如圖1所示。12V直流電壓經(jīng)過(guò)高頻逆變和高頻整流，得到一個(gè)符合要求的：350V直流電壓，該部分的控制信號(hào)由TL494芯片產(chǎn)生。
圖1車載電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
再經(jīng)過(guò)全橋DC/AC逆變電路,得到220V/50Hz交流電壓輸出。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行,防止主電路對(duì)控制電路的干擾,采用主、控電路完全隔離的方法,即驅(qū)動(dòng)信號(hào)用光耦隔離,反饋信號(hào)用變壓器隔離,輔助電源用變壓器隔離等。
對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言,逆變電路能否正常工作決定了整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。所以,設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在逆變器的控制和檢測(cè)上。
1.1 SG3525結(jié)構(gòu)框圖和引腳功能
系統(tǒng)采用SG3525來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM控制信號(hào)的輸出,該芯片其引腳及內(nèi)部框圖如圖2所示。
圖2 SG3525引腳及內(nèi)部框圖
直流電源的輸入端,產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準(zhǔn)電壓。＋5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其它元器件作為電源。
振蕩器腳5須外接電容CT,腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定,f=1.18/RTCT。逆變橋開(kāi)關(guān)頻率定為10kHz,取CT=0.22霧,RT=5k
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一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門(mén);另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端,比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較,輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖,再將此方波脈沖送到或非門(mén)的一個(gè)輸入端。或非門(mén)的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ),交替輸出高低電平,將PWM脈沖送至三極V1及V2的基極,鋸齒波的作用是加入死區(qū)時(shí)間,保證V1及V2不同時(shí)導(dǎo)通。最后,V1及V2分別輸出相位相差180°的PWM波。
1.2 SPWM調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生
要得到正弦電壓的輸出,就要使逆變電路的控制信號(hào)以SPWM方式控制功率管的開(kāi)關(guān),所得到的脈沖方波輸出再經(jīng)過(guò)濾波就可以得到正弦輸出電壓。通過(guò)SG3525來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出正弦電壓,首先要得到SPWM的調(diào)制信號(hào),而要得到SPWM調(diào)制信號(hào),必須得有一個(gè)幅值在1～3.5V,按正弦規(guī)律變化的饅頭波,將它加到SG3525腳2,并與鋸齒波比較,就可得到正弦脈寬調(diào)制波。
實(shí)現(xiàn)SPWM的控制電路框圖如圖3(a)所示,實(shí)際電路各點(diǎn)的波形如圖3(b)所示。
(a)SPWM控制電路框圖
(b)SPWM電路主要節(jié)點(diǎn)的波形
圖3 控制電路框圖及各點(diǎn)波形
由圖3可知,基準(zhǔn)50Hz的方波是由555芯片生成的,用來(lái)控制輸出電壓有效值和基準(zhǔn)值比較產(chǎn)生的誤差信號(hào),使其轉(zhuǎn)換成50Hz的方波,經(jīng)過(guò)低頻濾波,得到正弦的控制信號(hào)。當(dāng)電源輸出電壓發(fā)生變化時(shí),會(huì)改變正弦信號(hào)的幅值,使得SG3525輸出脈寬也發(fā)生相應(yīng)的變化,這就構(gòu)成了一個(gè)閉合的反饋回路,能有效穩(wěn)定輸出的波形。
1.3 過(guò)電流保護(hù)
過(guò)電流保護(hù)采用電流互感器作為電流檢測(cè)元件,其具有足夠快的響應(yīng)速度,能夠在IGBT允許的過(guò)流時(shí)間內(nèi)將其關(guān)斷,起到保護(hù)作用。
如圖1所示,過(guò)流保護(hù)信號(hào)取自CT2,經(jīng)分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端,如圖4所示。當(dāng)同相輸入端過(guò)電流檢測(cè)信號(hào)比反相輸入端參考電平高時(shí),比較器輸出高電平,使D2從原來(lái)的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?并把同相端電位提升為高電平,使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時(shí),該過(guò)電流信號(hào)還送到SG3525的腳10。當(dāng)SG3525的腳10為高電平時(shí),其腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會(huì)立即消失而成為零。
圖4 過(guò)電流保護(hù)電路
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1.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)既要考慮在功率管需要導(dǎo)通時(shí),能迅速地建立起驅(qū)動(dòng)電壓,又要考慮在需要關(guān)斷時(shí),能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷,拉低驅(qū)動(dòng)電壓。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示
圖5 驅(qū)動(dòng)電路
其工作原理是：
1）當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí),光耦導(dǎo)通,使Q1的基極電位迅速上升,導(dǎo)致D2導(dǎo)通,功率管的柵極電壓上升,使功率管導(dǎo)通;
2）當(dāng)光耦原邊無(wú)控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí),光耦不導(dǎo)通,使Q1的基極電位拉低,而功率管柵極上的電壓還為高,所以導(dǎo)致Q1導(dǎo)通,功率管的柵極電荷通過(guò)Q1及電阻R3迅速泄放,使功率管迅速可靠地關(guān)斷。
當(dāng)然,對(duì)于功率管的保護(hù)同樣重要,所以在功率管源極和漏極之間要加一個(gè)緩沖電路避免功率管被過(guò)高的正、反向電壓所損壞。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上分析,對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),其額定輸出功率為500W,濾波器參數(shù)取L=3mH,C=2.2霧,樣機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí),測(cè)得其輸出電壓波形如圖6所示。
圖6逆變器的輸出波形
3 結(jié)語(yǔ)
樣機(jī)輸出電壓波形質(zhì)量良好,輸出電壓穩(wěn)定性強(qiáng),幅值基本不受負(fù)載變化影響,效果較好。實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的系統(tǒng)方案是切實(shí)可行的。
