新型單相正弦車(chē)載電源型設計

傳統車(chē)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(zhù)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)現無(wú)工頻變壓器的逆變電路，可以很好地解決傳統車(chē)載電源存在的問(wèn)題，同時(shí)能保證車(chē)載電源的輸出電壓更穩定、更平滑[1]。

1 車(chē)載電源電路結構與功能分析

車(chē)載電源系統如圖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，該部分的控制信號由TL494芯片產(chǎn)生[4]。

圖1 車(chē)載電源系統結構

再經(jīng)過(guò)全橋DC/AC逆變電路，得到220V/50Hz交流電壓輸出。為保證系統可靠運行，防止主電路對控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅動(dòng)信號用光耦隔離，反饋信號用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離等。

對于整個(gè)系統而言，逆變電路能否正常工作決定了整個(gè)系統能否正常運行。所以，設計的重點(diǎn)在逆變器的控制和檢測上。

1.1 SG3525結構框圖和引腳功能[1]

系統采用SG3525來(lái)實(shí)現SPWM控制信號的輸出，該芯片其引腳及內部框圖如圖2所示。

圖2 SG3525引腳及內部框圖

直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門(mén)；另一路送到基準電壓穩壓器的輸入端，產(chǎn)生穩定的＋5V基準電壓。＋5V再送到內部（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=0.22μF，RT=5kΩ。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩態(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?；蚍情T(mén)的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管V1及V2的基極，鋸齒波的作用是加入死區時(shí)間，保證V1及V2不同時(shí)導通。最后，V1及V2分別輸出相位相差180°的PWM波。

1.2 SPWM調制信號的產(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)現輸出正弦電壓，首先要得到SPWM的調制信號，而要得到SPWM調制信號，必須得有一個(gè)幅值在1～3.5V，按正弦規律變化的饅頭波，將它加到SG3525腳2，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調制波實(shí)現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值比較產(chǎn)生的誤差信號，使其轉換成50Hz的方波，經(jīng)過(guò)低頻濾波，得到正弦的控制信號。當電源輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，會(huì )改變正弦信號的幅值，使得SG3525輸出脈寬也發(fā)生相應的變化，這就構成了一個(gè)閉合的反饋回路，能有效穩定輸出的波形。

1.3 過(guò)電流保護

過(guò)電流保護采用電流互感器作為電流檢測元件，其具有足夠快的響應速度，能夠在IGBT允許的過(guò)流時(shí)間內將其關(guān)斷，起到保護作用。如圖1所示，過(guò)流保護信號取自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。當同相輸入端過(guò)電流檢測信號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)轉變?yōu)檎驅?，并把同相端電位提升為高電平，使電壓比較器一直穩定輸出高電平。同時(shí)，該過(guò)電流信號還送到SG3525的腳10。當SG3525的腳10為高電平時(shí)，其腳11及腳14上輸出的脈寬調制脈沖就會(huì )立即消失而成為零。

圖4 過(guò)電流保護電路

1.4 驅動(dòng)電路的設計

驅動(dòng)電路的設計既要考慮在功率管需要導通時(shí)，能迅速地建立起驅動(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，拉低驅動(dòng)電壓。具體驅動(dòng)電路如圖5所示

圖5 驅動(dòng)電路

其工作原理是：

1）當光耦原邊有控制電路的驅動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí)，光耦導通，使Q1的基極電位迅速上升，導致D2導通，功率管的柵極電壓上升，使功率管導通；

2）當光耦原邊無(wú)控制電路的驅動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí)，光耦不導通，使Q1的基極電位拉低，而功率管柵極上的電壓還為高，所以導致Q1導通，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。

當然，對于功率管的保護同樣重要，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)驗結果

根據以上分析，對實(shí)驗樣機進(jìn)行了實(shí)驗，其額定輸出功率為500W，濾波器參數取L=3mH，C=2.2μF，樣機帶負載運行時(shí)，測得其輸出電壓波形如圖6所示。

3 結語(yǔ)

樣機輸出電壓波形質(zhì)量良好，輸出電壓穩定性強，幅值基本不受負載變化影響，效果較好。實(shí)驗表明，本文提出的系統方案是切實(shí)可行的。

圖6 逆變器的輸出波形