兩級(jí)變換的單相逆變電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試

劉 萍

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363105)

兩級(jí)變換的單相逆變電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試

劉 萍

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363105)

針對(duì)電源調(diào)試?yán)щy問(wèn)題，本文結(jié)合兩級(jí)變換的單相逆變電源闡述其設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程，試圖讓初學(xué)者能理解電源，能對(duì)電源電路排錯(cuò)，能設(shè)計(jì)一款系能較好的電源。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，證明本文的調(diào)試方法是切實(shí)可行的。

開(kāi)關(guān);逆變;設(shè)計(jì);調(diào)試

很多工程師認(rèn)為設(shè)計(jì)及調(diào)試電源是非常看重經(jīng)驗(yàn)的一門技術(shù)。對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，缺少經(jīng)驗(yàn)，電源設(shè)計(jì)還可以模仿成熟電路，但調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題有可能百思不得其解，這時(shí)需要尋求一種有效的調(diào)試方法，找到問(wèn)題所在，但目前大部分的書籍及網(wǎng)絡(luò)資料介紹的調(diào)試方法，對(duì)于剛剛接觸電源的人來(lái)說(shuō)，難度略大。本文以兩級(jí)變換的單相逆變電源為例，引導(dǎo)初學(xué)者如何調(diào)試電路，做到在實(shí)踐中學(xué)習(xí)、理解理論，最終調(diào)試成功。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易電源，要求輸入DC24V，輸出36V、50HZ的工頻正弦波交流電源。電源的輸出高于輸入，直接進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)換無(wú)法滿足要求，應(yīng)通過(guò)兩級(jí)變換:DC/DC、DC/AC。其主體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

確定設(shè)計(jì)方向之后，查找相應(yīng)資料。對(duì)于剛接觸電源的來(lái)說(shuō)，應(yīng)找易于實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單電路。基礎(chǔ)此，確定DC/DC部分采用boost升壓電路;DC/AC部分采用全橋逆變電路。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試

進(jìn)入具體的電路設(shè)計(jì)及調(diào)試階段，應(yīng)遵循模塊化調(diào)試的方法。調(diào)試每個(gè)模塊時(shí)，應(yīng)先將對(duì)應(yīng)理論掌握70%以上，這樣才能對(duì)電路中出現(xiàn)的每個(gè)問(wèn)題做出大致的判斷，才能在實(shí)踐中學(xué)習(xí)理論。

2.1 升壓模塊

升壓模塊的具體電路如圖2所示。

圖2 升壓電路圖

2.1.1 TL494

TL494在電源中運(yùn)用廣泛，能根據(jù)輸入的差值自行產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波。在搭接升壓系統(tǒng)前，應(yīng)先掌握TL494性能，可以搭接圖3的測(cè)試電路。

(1)掌握占空比變化范圍:改變1腳電壓，觀察9腳輸出波形，同時(shí)記錄輸出波形的占空比變化范圍及1、2腳的關(guān)系。

(2)掌握輸出的幅值受哪個(gè)參數(shù)控制:改變電源電壓，觀察9腳輸出波形的幅值。

(3)掌握如何鎖定占空變化的范圍:給4腳加0-3.5V的電壓，觀察9腳輸出波形占空比上限的變化。

(4)掌握如何修改輸出的頻率:改變5、6腳的電容電阻值，觀察9腳輸出波形的頻率。

圖3 TL494性能測(cè)試電路

圖4 Boost測(cè)試電路

2.1.2 BOOST升壓電路

BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需元件少，開(kāi)關(guān)管可選擇導(dǎo)通內(nèi)阻小，擊穿電壓大，允許管耗大的如IRF540;二極管選擇導(dǎo)通截止切換頻率高、管壓降小、允許通過(guò)電流大的肖特基二極管，如F10L60U;電容及電感的選擇難度相對(duì)較大;可先通過(guò)理論公式計(jì)算，再進(jìn)行微調(diào)。微調(diào)電路參見(jiàn)圖4。

選定開(kāi)關(guān)管、二極管及理論計(jì)算的電容，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)，觀察電路輸出。若電路輸出不滿足要求，可增大方波信號(hào)的占空比;改變電感，在同樣占空比的情況下進(jìn)行測(cè)試，記錄其輸出;多次測(cè)量，選擇使輸出電壓最大的那個(gè)電感值。

在電感確定后，更換電容，用示波器觀測(cè)其輸出，選擇較佳的電感值。同時(shí)，頻率也可以上下微調(diào)，選定一個(gè)最佳頻率值。

2.1.3 升壓電路聯(lián)調(diào)

(1)根據(jù)圖4電路確定的電感值，電容值，以及相應(yīng)的頻率可確定升壓系統(tǒng)的電容、電感及494的5、6腳的電容電阻值。

(2)494的供電電源應(yīng)與輸入電源共電源，系統(tǒng)參數(shù)下，可得較高的效率。

(3)靈活處理494死區(qū)控制腳即4腳輸入電壓。空載調(diào)試時(shí)，4腳的電壓給2.5V左右，根據(jù)輸出情況，減小4腳電壓;帶載之后，根據(jù)輸出情況，繼續(xù)微調(diào)4腳電壓。來(lái)回幾次調(diào)整，最后鎖定4腳電壓值。

(4)改變1腳電壓值，確保系統(tǒng)升壓至45V(可由逆變輸入輸出關(guān)系大致確定)。

2.2 逆變模塊

逆變電路如圖5所示。該模塊包括死區(qū)(延時(shí))控制、驅(qū)動(dòng)及全橋電路、濾波電路。

圖5 逆變電路

2.2.1 死區(qū)控制

全橋電路上下兩個(gè)MOS管由一組互補(bǔ)的SPWM(單片機(jī)產(chǎn)生)控制。由于MOS管本身存在上升沿、下降沿的延時(shí)，這一對(duì)MOS管就有可能出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況。為了避免這種情況的出現(xiàn)，對(duì)控制信號(hào)加入死區(qū)控制。死區(qū)時(shí)間若選擇過(guò)大，波形失真;若過(guò)小，仍有可能出現(xiàn)兩管同時(shí)導(dǎo)通的情況。一般選擇開(kāi)關(guān)管上升沿及下降沿延時(shí)間的2-4倍，具體數(shù)值由電路的RC值確定。

如何理解死區(qū)電路，為了觀測(cè)的方便，可用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)代替SPWM，同時(shí)觀測(cè)輸入與輸出。

2.2.2 全橋逆變

控制信號(hào)SPWM不能直接加載至全橋電路中，而要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)選擇電源常用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，它有兩路互補(bǔ)輸出，有自舉輸出端，輸入范圍大。驅(qū)動(dòng)電路與全橋連接，需將IR2110的7腳(HO)輸出應(yīng)控制全橋的上管，1腳(LO)輸出控制全橋下管，不能接反。同時(shí)，自舉輸出端應(yīng)接至上管的3腳。若自舉端接至地端，上管則無(wú)法導(dǎo)通。

將死區(qū)控制的輸出信號(hào)分別連至驅(qū)動(dòng)電路，用示波器兩路通道同時(shí)觀測(cè)輸出信號(hào)，確定兩路信號(hào)是否是互補(bǔ)的方波信號(hào)，方波的高電平接近電源電壓，方波的頻率由SPWM頻率確定。若得不到正確的輸出信號(hào)，應(yīng)檢查驅(qū)動(dòng)電路的HO、LO是否有正常輸出。若出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，可適當(dāng)延長(zhǎng)死區(qū)控制時(shí)間。

2.2.3 濾波

本系統(tǒng)輸出信號(hào)50HZ，SPWM 20KHZ，一般可選擇LC濾波。若全橋逆變輸出選擇一路LC濾波，且用示波器觀測(cè)，則會(huì)出現(xiàn)短路的情況，原因是，示波器探頭本身接地，而逆變輸出端是浮動(dòng)輸出，無(wú)任何一端接地。為能進(jìn)行測(cè)量，可用差分式探頭測(cè)量，也可用兩路LC濾波，如圖5所示。根據(jù)理論公式計(jì)算可得到C、L的大致范圍。一般電感用鐵粉芯磁芯繞制，電感用CBB電容。

根據(jù)輸出波形，適當(dāng)調(diào)整電感、電容值。

2.3 檢測(cè)模塊

若僅將升壓模塊的輸出接至逆變模塊的輸入，則系統(tǒng)的可靠性差，尤其是帶大負(fù)載時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)電源帶載(一定范圍內(nèi))仍有36v穩(wěn)定輸出，需設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)，將輸出的采樣電壓接至圖6電路，構(gòu)成閉環(huán)。

調(diào)試該電路時(shí)，可在輸入端接入信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)，觀測(cè)輸出是否是穩(wěn)定的直流，若紋波大，則應(yīng)更改R、C的值。

圖6 交－直流轉(zhuǎn)換電路

2.4 附加電源模塊

評(píng)價(jià)電源優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)是電源的效率。提高效率除了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上、參數(shù)選擇上下功夫外，附加電源也是不可忽視的部分。常見(jiàn)的線性電源如78、79系列效率較低，而很多開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓芯片的效率都可達(dá)80%以上。

3 軟件調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

軟件的調(diào)試可以與硬件同步進(jìn)行。若硬件還沒(méi)有搭接成功，可以用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)代替硬件的反饋信號(hào)。本系統(tǒng)使用Stc12c5620ad單片機(jī)產(chǎn)生SPWM，隨著反饋電壓變化，SPWM的占空比應(yīng)反向變化。基本功能調(diào)試成功后，再與硬件聯(lián)調(diào)。

將單片機(jī)的輸入接至延時(shí)電路的輸入端，將升壓模塊的輸入接至逆變模塊的輸入。給系統(tǒng)上電，測(cè)試:

(1)空載輸出。

圖7 系統(tǒng)輸出波形

(2)帶載測(cè)試:若空載輸出與帶載輸出波形不同，則應(yīng)修改軟件算法;若波形穩(wěn)定速度比較慢，也應(yīng)修改軟件算法;若算法修改無(wú)效后，應(yīng)手動(dòng)設(shè)置SPWM占空比的值，觀察輸出變化范圍。如果占空比大范圍變化，輸出仍無(wú)法達(dá)到要求，應(yīng)考慮優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按上述方法設(shè)計(jì)及調(diào)試電路，最終測(cè)試系統(tǒng)輸出波形如圖7所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

電源的調(diào)試是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，設(shè)計(jì)一款性能優(yōu)良的電源它也需要長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)的積累。本文介紹的調(diào)試方法雖簡(jiǎn)單易行，但僅對(duì)初學(xué)者而言，僅適用于比較簡(jiǎn)單的電路。這些對(duì)剛剛著手學(xué)習(xí)電源的人來(lái)說(shuō)，應(yīng)該會(huì)有很大幫助。

［1］普利斯曼，比利斯，莫瑞.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.王志強(qiáng)，肖文勛，虞龍等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

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［3］鐘曉強(qiáng)，李方園.電力電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

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［5］周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.逆變電源實(shí)用技術(shù):設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

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［7］周潔敏.開(kāi)關(guān)電源理論及設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

Design and Debugging for Single-phase Inverter Power of Two-stage Conversion

LIU Ping
(Department of Electronic Engineering，Tan Kah Kee College of Xiamen University，Zhangzhou 363105，China)

In view of the difficult power debugging problem，this paper combines the single-phase inverter power of two-stage conversion to explain its design and debugging process，trying to make beginners understand power，debug power circuit and design a better system.In the actual teaching process，it proves that this debugging method is feasible.

switch;inverter;design;debugging

TM615

A

1009-3907(2013)12-1535-03

2013-09-26

劉萍(1981-)，女，江西豐城人，講師，碩士，主要從事控制類課程的教學(xué)和電源類方向的研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云