基于LM25037的車(chē)載便攜式SPWM逆變器設計

　　目前，汽車(chē)普及率日益升高，車(chē)載逆變器將汽車(chē)點(diǎn)煙器輸出12 V DC轉換成220 V/50 Hz交流電，供一般的電器產(chǎn)品使用。車(chē)載逆變器作為一種移動(dòng)中使用的電源轉換器，為人們外出工作或旅游提供了很大的便利，具有廣闊的市場(chǎng)前景。汽車(chē)上使用的電器多為商用或一般生活用，如車(chē)用冰箱、筆記本電腦、手機充電器、汽車(chē)DVD等，有些設備方波逆變不能滿(mǎn)足其供電要求，如車(chē)用冰箱，必須要50 Hz的正弦波才能正常工作，因此車(chē)載正弦波逆變電源成為一種趨勢。

　　本文介紹的基于LM25037的高效便攜式車(chē)載逆變電源的主要參數為：輸入電壓9.6～16.2 V DC;輸出電壓220 V(±10 V)50 Hz(±0.5%) AC;輸出功率500 W。

　　系統基本原理

　　系統輸入為12 V DC蓄電池，輸出為220 V/50 Hz。采用如圖1所示的典型二級結構DC/DC高頻升壓和DC/AC低頻逆變。首先，DC/DC變換器將蓄電池12 V DC升高至360 V;然后全橋SPWM逆變將直流電轉轉換成有效值為220 V/50 Hz方波，供負載使用。

　　DC/DC電路設計

　　對于高壓輸出場(chǎng)合，從安全角度考慮，一般采用變壓器隔離型結構。推挽正激變換器具有推挽變換器和正激變換器的優(yōu)點(diǎn)， 變壓器雙向勵磁，磁芯利用率高，加入箝位電容后能夠有效地抑制開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰及變壓器偏磁問(wèn)題，并且無(wú)需磁復位電路，在輸入低壓大電流的場(chǎng)合具有一定的應用價(jià)值[1，2]。本系統輸入電壓9.6～16 V DC,滿(mǎn)載時(shí)輸入電流50 A左右，單個(gè)推挽正激變換器難以實(shí)現較高的效率。因此，本系統采用了如圖2所示的組合式推挽正激變換器，即輸入側并聯(lián)輸出側串聯(lián)IPOS。IPOS結構有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：原邊開(kāi)關(guān)電流應力減小;2個(gè)變換器采用交錯并聯(lián)控制方式，減小輸入電流紋波;輸出側串聯(lián)結構減小了輸出整流二極管電壓應力[3]。輸出側加入參考文獻[1]提出的雙CDD吸收電路有效的抑制了整流二極管反向恢復引起的電壓尖峰，便于選取額定電壓較低的二極管，減小導通損耗。

　　DC/DC控制電路采用美國國家半導體公司針對車(chē)載電源系統設計的芯片LM25037，該芯片具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：(1)寬范圍輸入工作電壓5.5 V～75 V;(2)可采用電壓前饋模式或峰值電流模式控制;(3)內部集成前饋PWM鋸齒波發(fā)生器;(4)具有可編程的遲滯欠壓保護和死區時(shí)間功能;(5)帶有延時(shí)的定時(shí)器雙重模式的過(guò)流保護功能;(6)可編程的最大占空比和軟啟動(dòng);(7)內部集成了高精度的誤差放大器和過(guò)流比較器，具有外同步等功能;(8)2路交替輸出的驅動(dòng)信號，適合于推挽、全橋和半橋等拓撲結構[4]。

　　DC/DC變換器采用Common-duty ratio控制，通過(guò)閉環(huán)調節系統控制模塊2的輸出電壓穩定在180 V。利用十進(jìn)制的CD4017分頻器對1 MHz的輸入信號分頻，得到相差1/4T s的2個(gè)時(shí)鐘信號作為2片LM25037的外同步信號，模塊2輸出電壓誤差PI調節后信號作為2片控制芯片COMP端給定，實(shí)現2個(gè)模塊的交錯并聯(lián)。

　　變壓器設計

　　設計指標：輸入電壓范圍9.6 V～16 V;輸出電壓Vo=360 V;模塊2輸出電壓Vc2=180 V;功率Po=500 W;工作頻率fs=50 kHz;最大工作占空比Dmax=0.47;變壓器的匝比為：

　　實(shí)際選取鐵氧體ETD39的磁芯，匝比N=20，原邊N1=N2=5匝，副邊N3=100匝。

　　DC/DC輸出濾波電感設計

　　按設計要求實(shí)際選取臨界工作電流Ioc=0.4，Io=0.28 A，輸出濾波電感值為：

　　后級全橋整流兩橋臂對稱(chēng)，將1.4 mH的電感分成2個(gè)相同的0.7 mH的電感繞在同一個(gè)磁芯上。選用鐵氧體EI30磁芯，中柱加入0.2 mm的氣隙，匝數nf=65。

　　LM25037外圍電路設計

　　LM25037的外圍電路如圖3所示。下面對各部分參數選取做出詳細介紹。

　　開(kāi)關(guān)頻率和重啟時(shí)間設定

　　根據芯片數據手冊設定開(kāi)關(guān)頻率為f=50 kHz，死區時(shí)間為250 ns，外同步工作方式下外部時(shí)鐘的頻率應至少比R6設定的自由運行頻率高出10%[4]，選取R6=81 kΩ，R7=50 kΩ。

　　如圖4所示，過(guò)流保護后重啟時(shí)間由以下3部分決定：

　　(1)t1：過(guò)流時(shí)，內部20 μA的電流源對C9充電至2 V;

　　(2)t2：1 μA的電流源對C10從0 V充電至1 V;

　　(3)t3：100 μA的電流源對C10從1 V充電至5 V。

　　因此通過(guò)設定RES及SS引腳電容C9和C10的值就可以設定出現過(guò)流保護后的重啟時(shí)間。取C9=100 pF，C10=100 nF，則TRES約為10.4 ms。

　　前饋網(wǎng)絡(luò )設計

　　如圖5所示，前饋電壓信號是通過(guò)外部的RC網(wǎng)絡(luò )在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期輸入電壓對C3充電，得到斜率與輸入電壓成正比的鋸齒波。在開(kāi)關(guān)周期結束時(shí)通過(guò)芯片內部的MOS管對C3放電，使電容復位。

　　取C3=100 pF，R3=200 kΩ，其中Tdischarge<50 nS，Tsw為振蕩周期，VRAMP為斜坡電壓峰值，Vin為輸入電壓，Ron為內部MOS管導通電阻。

　　驅動(dòng)電路設計

　　推挽正激變換器驅動(dòng)不同于推挽電路，比如當在推挽正激變換器中，當接地的開(kāi)關(guān)管Q2導通時(shí)，浮地的開(kāi)關(guān)管上Q1承受的是-Vin，一般的驅動(dòng)芯片不能承受負壓，因此采用如圖6所示的變壓器隔離驅動(dòng)。驅動(dòng)變壓器設計過(guò)程中應考慮漏感，漏感的大小直接影響驅動(dòng)信號速度，并且在2個(gè)開(kāi)關(guān)管均關(guān)斷的時(shí)間與結電容發(fā)生振蕩，引起開(kāi)關(guān)管誤導通。LM25037的PWM輸出端最大驅動(dòng)電流為50 mA，在隔離型驅動(dòng)中為防止芯片過(guò)熱，加入專(zhuān)用驅動(dòng)芯片LM5110，其驅動(dòng)電路如圖6所示。

　　DC/AC電路設計

　　逆變電路采用ATMEL公司8位AVRmega16單片機控制。該單片機具有2個(gè)分別獨立可預分頻的8位定時(shí)/計數器;1個(gè)具有比較、捕獲的16位定時(shí)/計數器;4路PWM通道;8路10位ADC等功能。

　　單片機控制及逆變器驅動(dòng)電路如圖7所示。為了減小開(kāi)關(guān)損耗，逆變器采用單極性倍頻的調制方式，將內部16位定時(shí)器T1當成2個(gè)8位使用，分別與2個(gè)相位差180°的正弦波比較即可得到需要的按正弦規律變化的PWM信號?；鶞收倚盘柾ㄟ^(guò)查表得到，當點(diǎn)煙器輸出電壓較低時(shí)，直流母線(xiàn)電壓可能達不到360 V，因此采用前饋控制，根據不同的母線(xiàn)電壓值判斷查不同的正弦表，以保證輸出正弦波有效值在設定的范圍內。T1a和T1b工作在移相PWM模式，輸出腳OCR1A和OCR1B作為逆變器的控制信號。為了防止開(kāi)關(guān)管直通，開(kāi)關(guān)管上下橋臂之間需要加入死區，采用驅動(dòng)芯片IR2103可以方便地實(shí)現信號的取反、加入510 ns對稱(chēng)的死區以及電平的轉換。

　　實(shí)驗波形

　　在輸入電壓Vbat=12 VDC，滿(mǎn)載時(shí)輸出功率Po=500 W的電阻性負載情況下測得如下波形，其中圖8為正激變換器開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)及DS的電壓波形?？梢钥闯?，由于箝位電容的吸收作用，推挽正激變換器關(guān)斷時(shí)Vds的電壓尖峰大大減小。圖9為加入CDD吸收電路后整流二極管承受的反向電壓波形?？梢钥闯鲶槲浑娐酚行У匾种屏硕O管的反向恢復，減小了電壓尖峰及反向恢復損耗。圖10為滿(mǎn)載時(shí)直流母線(xiàn)電壓及其紋波波形，滿(mǎn)載時(shí)直流母線(xiàn)電壓紋波峰-峰值約為4 V。圖11為滿(mǎn)載時(shí)，逆變器輸出的電壓、電流波形，經(jīng)過(guò)分析得出，輸出電壓波形的諧波THD為0.97%，滿(mǎn)載時(shí)的效率為85.7%。

　　本文提出的基于LM25037便攜式車(chē)載逆變電源，經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證具有電能利用率高、THD低、外圍電路簡(jiǎn)單、工作穩定可靠等特點(diǎn)，在便攜式電源中具有一定的應用價(jià)值。