一种实用车载逆变器的设计

     摘要：介绍了一种以SG3525A为主控芯片的车载逆变器的设计，该逆变电源工作效率高、实用、可靠。
     关键词：SG3525A；逆变；脉宽调制

     引言
    随着经济水平的提高，汽车正逐渐成为人们的日常交通工具。然而人们随身携带的家用电器比如手机却不能与汽车上的电源电压相匹配，因此开发一款经济实用的车载逆变器成为一种需求。
    本逆变器设计输入电源取自汽车的点烟器(12VDC)，输出为工频方波交流电(50Hz，220V)。其系统主电路和控制电路框图如图1所示，采用二级变换方式，即DC／DC变换和DC／AC逆变。即DC12V电压通过推挽式电路逆变为高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约320V直流电压；然后再由桥式变换以方波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的方波电压，以驱动负载。为保证系统的可靠运行，分别采集了DC高压侧电压信号、电流信号及蓄电池电压信号，送入SG3525A，通过调整驱动脉冲的占空比或关断脉冲来实现电压调节、过流保护及欠压保护等功能。
主要技术参数：
输入电压:DC12V；
输出电压:AC220V ±5%，50Hz ±2%；
额定功率:100W；
保护功能:输入直流极性接反保护,输入欠压保护,输出过流保护。
图1 系统主电路和控制电路框图

     电路设计
    主控芯片SG3525A
    SG3525A是ST公司的脉冲宽度调制器控制集成电路,具有集成基准电压,振荡器同步，软启动时间控制，输人欠电压锁定等功能。
    振荡频率的确定：振荡频率由三个外部元件RT、CT和RD设置，分别接在6、5、7引脚上。振荡频率为fOSC=1/CT(0.7RT +3RD)，其中0.7RTCT为定时电容充电时间，3RDCT为定时电容放电时间。为了使用分频分相电路取得50Hz，本设计采用振荡频率为51.2KHz，取CT＝2000pF, RT=10KΩ,RD=922Ω。
    输出脉宽的调整：PWM脉冲宽度由反馈PWM输人引脚9和软启动引脚8中电平较低的一端控制。如图2所示，芯片内部的误差放大器U1将电压反馈信号与基准电压信号偏差放大后送入比较器U2的反向输入端，比较器正向输入端输入来自电容器CT上的锯齿波，两者做比较，比较器输出的方波脉冲来控制SG3525A内部输出功放管的占空比。本设计中将8引脚接电容后接地，9端接DC/DC高压直流电压的反馈电压，由此调整输出直流电压的稳定。图2中U1为SG3525A中的误差放大器，1、2、9分别为芯片引脚，R1～R7、C1、C2均为外接电阻电容。SG3525A的16引脚输出参考电压5V。电阻R3、R4及U1构成反比例运算器，R4/R3为其静态放大倍数，其值越大控制精度越高，但放大倍数太大将引起振荡，引人C1和R5使误差放大器成为不完全比例积分控制器，此时静态误差放大倍数不变，动态误差放大倍数减小，既不影响控制精度，又避免过冲引起振荡。
图2 输出直流高压调节原理图
    脉冲的关断：当10引脚加上高电平时，实现对输出脉冲的封锁。本设计使用该项功能实现输出过流过压、输入欠压的保护。
    分频分相电路
    由14级串行二进制计数/分配器CD4020B构成分频电路，分频信号来自SG3525A的振荡器输出端引脚4。图3中的A、B、C分别代表振荡器脉冲经 8、9、10级分频后的波形，其频率分别为fA=fOSC/28, fB=fOSC/29, fC=fOSC/210。分相电路由单片两输入端四与非门CD4011BC及外围器件组成，将信号ABC逻辑组合成逆变桥所需要的驱动脉冲(A+B)C与(A+B)信号。该驱动信号具有共同死区。脉冲驱动信号约为50Hz。
图3 分频分相波形图

     保护电路
    输入欠压保护
    如图4所示，D1为蓄电池极性反接保护。SG3525A的16引脚输出参考电压5V,取R3＝R4=10KΩ。在正常情况下，U1的反相输入端电压大于正向输入端电压，U1输出低电平，二极管D1、D2截止。当蓄电池电压低于10V时，比较器U1开始工作，输出由低电平变为高电平，D2、D3导通，并把同相输入端电位提升为高电平，使得U1一直稳定输出高电平，向SG3525A的10引脚输出关断信号。
图4 输入欠压保护电路
    输出电流过载保护
    如图5所示，运放U2及外围电阻构成同相比例放大器，运放U3及外围电路构成比较器。电流过载信号取自图1中的电阻R3上的压降，设为△U。R3取2.2Ω，2W.当负载电流增大时，△U增大.
    图5中运放U3正向输入端输入电压为：U＋=（1+R2/R1）×[R4/(R3+R4)]×△U
图5 输出电流过载保护电路
    合理的调整R1、R2、R3、R4的取值，使得当负载电流超过1.5A后，U3的正向输入端电位高于反向输入端，U3输出高电位，二极管D2、D3导通，并把同相输入端电位提升为高电平，进一步促使U3一直稳定输出高电平，向SG3525A的10引脚输出关断信号。
    散热和结构设计
    为了进一步减小体积, 减轻重量,为此采取了利用外壳(机壳)散热致冷办法,可靠地解决了散热,又使整机体积变小,重量减轻。
    逆变器试验结果及输出波形
    DC／DC变换输出电压稳定在320V，逆变桥开关频率为50Hz，接500Ω电阻负载。实验的电路波形如图6所示。
图6 电压输出波形图(500Ω电阻负载)

     结语
    本文设计采用集成脉宽调制芯片SG3525A为主控芯片，以CD4020B计数器及与非门电路构成分频分相电路并配以保护电路，实现了逆变器的脉宽调制。由于该电路充分利用了SG3525A芯片的振荡器脉冲输出功能，省去了专用的脉宽调制芯片，使得电路结构简单、性能稳定、成本较低。该车载逆变器样品在汽车上进行了试用，试用证明，该逆变电源工作稳定可靠，故障率低，能够持续输出功率100W。目前，该产品已经投放市场。

参考文献：
1.李强、周希德，车栽单相正弦脉宽调制IGBT逆变器的研制，电力电子技术，1997，3l(2)．
2．ST Microelectronics Datasheet,Regulating Pulse Width Modulators, http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/4286.pd