车载逆变电源系统的研究

鹏 薛 R24 C340.1uF R41R43R39 c c v 1N4148 1N4148 2 KK 1 师 00 + 22 C330.1uF 教 D111N4148D14D121N4148 KK 00 R562R57R58R592 源 导 F 电 D13 u 0 指 究 片 0 C291 1234 芯 con12 研 供 提 统 9 3 静 D101N4007D1N4007 系 V 卢 5 源 + 图 理 电 原 \ D N G 出 名 2 文 55 变 TX4TX1 11 月 输 论 ++ 6 姓 业 逆 Vin 8 年 2 毕 UMC78M05CT 1 0 载 123 E:\2 4 5 1 T 12345671234567con1 B 车 220VAC SS OCCBOOCCBO MM VV LCNVHLCNVH OO VV CC 目型 期件 DD 题纸 CDCCDC 日文 DD 8 NVHINSLINVSSNNVHINSLINVSSN R526 IC3IR2110IC6IR2110 2 89012348901234 1 1111111111 + C C C V IC114U7A3U7B4UC710U7D11 C V 0.1uF RLY26TX51 C32 KKK 67 con3con4R251R281R371 IC12 K con11 TX2 管 14 极 二 IC65 色 F u 双 0 76 C191 4 1 TIRF3205TIRF3205 Q 0 4 8 R496 0 31 1234567891 31 板 2 con2 灯 示 2 指 键 R46 KK 按IC128IC127IC126IC125IC124IC123IC122IC119 0000 R384R392R404R412 K 1 D13D14 67 TX5 14 8 IC115 TIRF3205 5 TIRF3205 IC610IC612 2 C164.7uF 1 01 + 11 R184K7 U7CU7D 11 6 88 变 K 00 q 00 44 R424R432 逆 K TX26 00 8923 F R214R242 11 桥 u 0 0 全 3 C183 6 D12 Q C37C38 RLY224VSPDT IC35 护 K K7 F 保 74 u R554R601 0 快 0 V 3 2 4 C173 d 护 4 保 慢 V 4 2 1 4 5 ， U6B7 1 + 点 3 护 保 流 过 IC113 CON13 F R204K7 C u C 0 C201 V C36 20MHZ 56789012345678 IC310 IC13 11111222222222 IC312 3 U7A 4 456701234567 R481.2k CCCCBBBBBBBB Vss U7B Vdd RRRRRRRRRRRR C35 K R451 4 17IC114 0123450123 1 1 AAAAAACCCC 8 IC1PIC16F883 8 VppRRRRRRVssOSC1OSC2RRRR 0 0 R447.2K4 4 12 2 56 5 12345678901234 11111 Q 2 IC311U6A1U6B3 31 C C39C40 31 C20C19 4 C V kK 77 R534R544 4 点 馈 F 反 u 0 压 C261672 稳 IC14 4 4 TX6 1 2 4 + U6A7 K 14 0K R5011 1 R47 CON11CON13 IC112
总之，人们在正弦波逆变电源技术领域里， 边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两 者相互促进并推动着正弦波逆变电源以每年过两 位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声 以及高可靠性方向发展。
研究内容
本次逆变电源的设计主要内容包括以下内 容：
1) 控制电路的设计； 2) 驱动电路的设计； 3) 全桥逆变电路的设计； 4) 电压检测电路和电流检测电路的设计； 5）检测电路的设计； 6）流程图的设计
SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔 宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的 交点来决定的。
PID控制原理
PID是比例积分微分的意思。P表示按偏差 进行比例放大得到一个输出，这个无法消除余 差，因此再加上积分，积分是按偏差累积的， 只要有偏差就有大于（或小于）0的积分值（就 是不会为0）。仅仅这样还不够，因为偏差变化 有快慢之分，因此要用微分，微分就是计算偏 差变化的速率。同时使用者三种控制规律来控 制被控变量就是PID控制。它并不表示某一个控 制规律,而是同时使用三种控制规律的综合。
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4 3 Q Q R 12 QQ
H桥驱动电路
如上图中所示为一个典型的直流控制电路。电路 得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字 母H；4个三极管组成H的4条垂直腿，而负载就是 H中的横杠。
要使电路运行，必须导通对角线上的一对三极管。根据不 同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左 流过电机，从而电路运行正常。
硬件设计
控制电路的设计
驱动电路
全桥逆变电路 检测和保护电路
12V蓄电池
全桥逆变 工频升压器 交流电压
控制芯片
驱动电路
电压检测
保护电路
电流检测
负载
控制电路
PICl6F74芯片中的晶振电路的频率是20MHZ，确保芯片能正常工作。 电容C35和C36起到滤波作用为了得到稳定的工作频率。
在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳 定工作时，复位信号才被撤除，控制电路开始正常工作。
路 电 15XT62YLR 测 检 76 21CI 流 电 2XT 41 F u 0 191C 4 1 Q 0 4 8 694R 13 13 2 2 64R K 1
电流检测电路
电流检测电路监测逆变器的电流状况，如果 输出的电流低于预设，保护电路开始工作，使控 制器PIC16F73的引脚9、引脚10 关断端输出为高 电平，停止驱动信号输出。并使继电器动作，断 开电路。
技术参数：
输入电压：DC 10V～14.5V； 输出电压：AC 200V～220V±10％； 输出频率：50Hz±5％；输出功率：70W～150W； 转换效率：大于85％；逆变工作频率：30kHz～50kHz。
研究意义
目前的逆变器如果直观其电路结构，无一例外 地采用开关电源专用双端驱动IC组成它激式逆变电 路。此类驱动集成电路都具有几乎相同的功能方框 图，只是具体组成有差别。由于设计用于大功率开 关电源驱动器，IC内部除设有两路时序不同的驱动 输出外，还有死区时间设定电路，PWM稳压电路和 开关电流控制电路，由其组成逆变电源，不仅效率、 可靠性大为提高，功能也更为完善。
题目任务要求和技术参数
题目的任务要求： 1、真正的短路保护，无论短路多长时间产品、用电器及汽车安 然无恙。 2、欠压、过载、过流、高温、高压、短路等多重保护功能，确 保产品、用电器及汽车电路安全。 3、结构及外形设计新颖，小巧美观，个性突出。 4、先进的电路设计，优质的进口元件，发热量低，返修率极低。 5、独有的贴片加工工艺，性能更稳定、使用范围更加广泛。
SPSWPMW技M术调及制其原原理理
在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来 安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲 间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也 小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使 负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调 制。
输出保护电路
在正常运行状态下，继电器串联在输出电压的线路 中，三极管的集电极得高电平时，三极管导通，继 电器导通，电磁铁得电吸合；常闭触点断开，常开 触点闭合，这样输出电路导通；相反，如果三极管 集电极呈现为低电平时，则三极管截止；常开触点 复位，导致输出电路断开，这样输出电路断开起到 过流保护的作用。
驱动电路
全桥逆变电路
由集成芯片PIC16F73产生的50Hz正弦波经过整形电路得 到正弦波脉冲（SPWM）分别由PIC16F73的高输出端和低 输出端输出。传递给驱动电路使全桥逆变电路开始运行，执 行将直流电逆变为交流电的操作 。
IC65 76 TIRF3205TIRF3205 KK 0000 R384R392R404R412 D13D14 67 TX5 14 8 TIRF3205 5 TIRF3205 2 C164.7uF 1 + K 00 R424R432 K 00 F R214R242 u 0 0 3 路 C183 电 D12 变 IC35 F 逆 u 0 桥 0 3 C173 全
逆变原理
所谓整流，就是将交流电变成直流电；逆变是它的反过 程，也就是将直流电变成交流电。
开关T1、T4闭合，T2、T3断开：u0=Ud； 开关T1、T4断开，T2、T3闭合：u0=－Ud ; 当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上 获得如上图所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就 将直流电压E变成了交流电压u0,
车载逆变电源系统的设计思路
电路流程图如下所示：
直流 电压
脉宽调 制芯片
全桥逆 变电路
工频 变压器
交流电压
此设计是采用了比较典型的逆变电路的变换方 式将直流电压12V变换成220V的交流电压，即第一 级采用直流/交流变换，通过对直流/交流全桥逆 变电路各个桥臂MOS管通断的控制，把低压直流逆 变为交流电压，再通过工频变压器把交流低压升 压变成交流高压，然后通过滤波电路，滤出我们 所需要的50Hz的频率交流电压，从而完成12V直流 电压逆变成220V/50Hz的交流电压；
R204K7 C C V C36 20MHZ 56789012345678 11111222222222 456701234567 CCCCBBBBBBBB Vss Vdd RRRRRRRRRRRR C35 0123450123 AAAAAACCCC IC1PIC16F883 VppRRRRRRVssOSC1OSC2RRRR 01234 123456789 11111 IC311U6A1U6B3 C C20C19 C V F u 0 C261 IC14 4 2 + K 0K R5011 R47
电源模块
软件设计思路
• 1)尽量采用结构化程序设计，功能程序 实行模块化，便于调试、连接和移植修 改。
• 2)合理利用系统资源。 • 3)提高软件的抗干扰能力。
车载逆变电源软件系统框图
开始
变量初始化
存正弦 数据表 初始化事件管 理模块 初始化 ADC模块
开启中断
中断等待
定时器3周期中 断是否发生
计算占空比生成 ＳＰＷＭ波
恢复现场
输出限幅
中断返回
结论
本设计采用纯硬件调制的的方法，极大地避免了 使用单片机而需要的大量计算以及编程的麻烦，充分 运用集成脉冲调宽芯片使电路大大简化，而且使电路 的调试更加简单。然后根据设计目标从系统总体的设 计方案和结构框图入手，再根据各模块的功能进行电 路原理图的设计和主要器件的选择，设计出来的产品 具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定 等优点。
R24 R41R43R39 1N4148 1N4148 KK 00 22 D111N4148D14D121N4148 KK 00 R562R57R58R592 D13 9 D101N4007D1N4007 55 11 ++ 5 T 12345671234567 SS CC OCBOOCBO MM VV CC LNVHLNVH OO VV CC DD CDCCDC DD NVHINSLINVSSNNVHINSLINVSSN IC3IR2110IC6IR2110 0123401234 8989 1111111111 C C C V IC114U7A3U7B4UC710U7D11 C V
课题来源
随着社会的发展，汽车越来越与人们的生活息息 相关，而汽车用的直流电压一般为12V，不能为便 携式电子设备直接使用。为此，车载电源(就是把 直流12V电压转换成交流220V／50Hz电源)的研制日 益引起人们的重视。
传统车载电源一般采用逆变器加工频变压器的方 案，它存在体积大、效率低等缺陷。随着新型电力 电子器件和电力电子技术的发展，本文采用高频链的 方案来实现无工频变压器的逆变电路，可以很好地解 决传统车载电源存在的问题，同时能保证车载电源的 输出电压更稳定、更平滑。
路 511CI 电 作 动 器 7K481R 电 继 6 q 62XT 护 保 快 6 V Q TDPSV422YLR 4 护 保 2 慢 d V 2 ， 点 5 1 护 + 保 流 过 31NOC
C340.1uF c c v C330.1uF F u 0 0 C291 3 V 5 + D N G 2 Vin 8 UMC78M05CT 1 8 R526 2 1 +
检测与保护电路
F u 0 102C 31CI k2.184R K 154R K2.744R 2 5 Q 2 路 电 13 13 4 测 检 4 压 电 76 点 馈 反 6XT 压 稳 41 31NOC11NOC
电压检测电路
从CON1和CON2两端引入输出的220V AC电压，经过TX6降压变压器的 降压作用、R44、R45、R48的分压作用，得到一个分压，将得到的电压输入 到PIC16F73的引脚3,；当电路处于正常情况下，1、3引脚之间的电压作为检 测电压的基准电压，如果输出电压高于220V，经过降压变压器后电压也会略 高一些，即输入引脚3与引脚1之间的电压高于基准电压输出为高电平，则控 制芯片PIC16F73就会停止工作。同理，如果输出的电压低于220V，便会使 输出为低电平，控制芯片PIC16F73就会停止工作，同时停止全桥逆变的运行。
全数字化逆变电 源主程序流程图如 图4-1所示，在主程 序中主要对各模块 进行初始化，系统 初始化主要配置头 文件和设置系统时 钟频率，变量初始 化主要给各变量分 配地址空间和赋初 始值，
NO
进入中断子程序
中断程序设计流程图
Ｐ控制器
ＮＯ
进入中断
保护现场
读给设定值 Ug(k)与采样值
Uf(k)
计算电压给定与 反馈量偏差e(k)
|e(k)|≤ζ
PI控制器
输出限幅
计算调制度M及 基准正弦信号V
基准正弦信号 Vg=Vg+数字量1
取电压瞬间值反 馈量Ｖ（ｋ）
计算基准电压与 瞬时值反馈量偏
差ｅ（ｋ）
Ｐ控制器
e'ｖ(k)＝e'ｖ(k) ＋数字量３
计算基准正弦与 电压瞬时值反馈 量偏差ｅ（ｋ）
计算偏差
Ｐ控制器
e'(k)＝e'(k)＋ 数字量３