一種基于TVS管的車載逆變電源設計

崔保春+王立鵬+文迪+馬思遠+劉孟茹+劉小朋

摘 要： 針對車載逆變電源在充電過程中可能會發生的瞬變過電壓現象，設計了一款基于TVS的小型車載逆變電源。該逆變電源前級采用DC?DC推挽正激電路將12 V直流小電壓升壓為360 V左右的直流高壓，后級采用DC?AC全橋逆變電路將輸入的直流高壓逆變為220 V/50 Hz正弦交流電壓。整個電路由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電路組成。介紹了車載逆變電源的工作原理，研究了TVS管結合推挽正激電路在抑制浪涌現象發揮的作用，提出了使用TVS管結合該逆變器進行保護的方案。同時，利用saber仿真軟件對輸出電壓進行仿真和比較，并搭載了實驗模型進行驗證， 對車載逆變電源實施了有效的保護。

關鍵詞： 車載逆變器； 變壓器； TVS； saber； 波形計算器； PWM

中圖分類號： TN86?34； TD86 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0095?04

Abstract： In view of the possible transient overvoltage phenomenon during the recharging of vehicle?mounted inversive power supply， a small vehicle?mounted inversive power supply based on TVS diode was designed. The DC?DC push?pull forward circuit is adopted at the first stage of the inverter power supply to make the low DC voltage of 12 V rise to the high DC voltage of about 360 V. The DC?AC full?bridge inverter circuit is adopoted at the second stage to make the input high DC voltage inverted to the sinusoidal AC voltage of 220 V/50 Hz. The whole circuit is constituted of main circuit， control circuit， detection circuit and auxiliary circuit. The working principle of the vehicle?mounted inverter power supply is introduced. The effect of TVS diode combined with push?pull forward circuit on surge suppression is researched. A protection scheme of using TVS diode combined with the inverter is proposed. The Saber simulation software is adopted for simulation and comparison of the output voltage. The experimental model is built for verification. The vehicle?mounted inverter power supply is effectively protected.

Keywords： vehicle?mounted inverter； transformer； TVS； saber； waveform calculator； PWM

隨著時代的進步和發展，私家車普及率越來越高。人們在開車工作學習旅游的同時，離不開很多實用的電子產品，比如手機、電腦、車載冰箱、車載電視等。但是這些設備只能由交流電源供電，而汽車的蓄電池只能提供12 V直流電，因此，車載逆變電源作為在移動中使用的直流變交流的轉換器，會給我們的生活帶來很多的方便，是一種常備的汽車電子用品?？紤]到汽車上的工作環境惡劣，發動機的拋負載以及火花電壓等原因會使汽車電子產品經受高電壓的沖擊，非常容易損壞。因此，車載逆變器的安全性能將成為重中之重[1]。本文重點研究了TVS管在推挽正激電路上的應用，并進行了仿真和實驗，效果良好。

1 DC?DC變換電路

1.1 推挽正激原理

推挽正激式DC?DC直流升壓變換適合由低壓直流向高壓直流的轉換，具有效率高、電磁干擾小、可靠性高等優點。推挽式變壓器開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的開關電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，鑒于此，該設計采用推挽正激直流升壓電路[2]。

圖1為推挽正激電路原理圖。在變壓器原邊，由兩個開關管Q1，Q2，兩個原邊繞組N1，N2，和串聯于兩個開關管之間的一個嵌位電容C1組成。線圈兩端接開關管Q1，Q2，觸發信號由TL494i提供用來控制兩個開關管Q1和Q2的交替導通，在變壓器副邊，由全橋整流電路和RLC濾波電路組成。全橋整流電路的優點是二極管在斷態承受的電壓僅為交流電壓幅值，而且變壓器的繞組結構比較簡單。工作原理是：變壓器副邊電壓U1為正半周時，對D1，D4加正向電壓，D1，D4導通；對D2，D3加反向電壓，D2，D3截止。電路中構成U1，D1，D4以及負載的通電回路，形成上正下負的半波整流電壓；U1為負半周時，對D2，D3加正向電壓，D2，D3導通；對D1，D4加反向電壓，D1，D4截止。電路中構成U1，D1，D4以及負載的通電回路，形成上正下負的另外半波的整流電壓。兩個開關管Q1，Q2在TL494i發出的PWM方波信號的控制下交替導通和截止，在繞組N1和N2兩端分別形成相位相反的交流電壓。當開關管關斷時，由于存在漏感，其中漏感的能量是由嵌位電容來釋放，因此可以降低開關管上的電壓尖峰。12 V直流輸入電壓經變壓器升壓得到方波電壓，再經過整流濾波得到需要的直流電壓[3]。endprint

1.2 變壓器設計

PWM控制芯片為TL494i，輸出頻率為20 kHz，為了防止直通，占空比的最大值，原副邊匝數計算公式如下：

本設計采取220 V正弦波交流供電，其最高電壓即正弦波的幅值，所以，輸出直流電壓大于311 V就可以了，在此設輸出電壓為360 V，即，輸入電壓范圍是9.8～15 V，為了滿足在輸入電壓最小為9.8 V時輸出電壓達到360 V下系統工作正常，原邊匝數與副邊匝數之比計算公式為：

取整數，n0=40，所以副邊匝數[4]

2 DC?AC部分

逆變電路是逆變電源的核心部分。逆變電路結構形式主要有半橋式和全橋式兩種。半橋型逆變電路雖然電路結構簡單，但電壓利用率低，交流輸出的電壓幅值僅為直流輸出電壓的一半，要輸出同等功率大小的電能，主變壓器原邊的電流要加大一倍，以彌補電壓利用率的不足?？紤]到全橋式逆變電路帶負載能力強，本系統采用全橋式逆變電路[5]。

單相電壓型全橋逆變電路如圖2所示。它可以看作由兩個半橋電路組合而成，共有4個開關管。4個開關管組成了兩對橋臂，Q1和Q4一對，Q2和Q3為另外一對?；閷堑膬蓚€開關管同時導通，而同一側半橋上下兩開關管交替導通，即Q1和Q2，Q3和Q4輪流導通， 當開關Q1，Q4閉合，Q2，Q3斷開，uo=Ud； 開關Q1，Q4斷開，Q2，Q3閉合；uo=-Ud；則在負載電阻上獲得交變電壓波形（正負交替的方波），這樣，就將直流電壓逆變成交流電壓，選擇脈寬調制（PWM）控制芯片TL494i來控制開關的占空比，從而改變整流電壓的平均值，也就是改變了輸出電壓。

通過上述方案利用saber仿真軟件進行仿真，仿真波形如圖3所示。

由圖3可以看出輸出電壓在1 ms內上升到300 V，并按指數規律衰減后趨于正常，這就是浪涌電壓。半導體元件對浪涌電壓是很敏感的，如果浪涌電壓過高超過了車載逆變設備的承受能力，元件就會損壞，這個設備的壽命就會大大降低。為了保護車載逆變電源在浪涌電壓作用下不會失效，本設計采用TVS管（瞬變電壓抑制二極管）進行保護，當TVS管兩端經受瞬間的高能量沖擊時，電壓抑制二極管能以極高的速度，使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態高能量的沖擊而損壞。

3 TVS管的工作原理及選型標準

3.1 TVS管工作原理

TVS管是一種保護敏感元器件免受靜電釋放（ESD）和電磁干擾（EMI）浪涌脈沖的有效、低成本的器件。單相型TVS管的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。在瞬態峰值脈沖電流作用下，TVS 兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VRWM（TVS管最大連續工作的直流或脈沖電壓）上升到擊穿電壓VB而被擊穿。隨著擊穿電流的出現，流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數衰減，TVS管兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到起始狀態，這就是TVS抑制浪涌電壓，保護電子元器件的整個過程。

3.2 TVS管的選型標準

TVS管的選擇主要參考以下三點：

1） TVS額定反向關斷電壓RWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的RWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。

2） TVS的最大箝位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。

3） 根據用途選用TVS的極性及封裝結構。直流電路選用單極性TVS較為合理，交流電路選用雙極性TVS較為合理[6]。

結合以上三點，本設計采用碩凱公司1.5KE系列的TVS二極管1.5KE?400A，其最大耗散功率1 500 W，箝位額定電壓400 V，符合設計要求。本設計加入了TVS管來對電路進行保護，如圖4所示。

由圖4可知，變壓器輸入側有兩個TVS管分別并聯在兩個二極管旁側，在變壓器輸出側，TVS并聯在電容旁側。當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS管發生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，瞬時電流通過TVS管被引開，避開被保護器件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時脈沖結束后，TVS管自動恢復高阻狀態，整個回路進入正常電壓。如果尖峰電壓沒有達到TVS的鉗位值，TVS不會導通，所以TVS管工作效率較高，既保護了電路元件不會發生損壞，又保證了后級全橋逆變電路的可靠運行，從而抑制了升壓后出現的瞬變過電壓現象，保護了電子設備。再次用saber仿真，輸出的電壓波形如圖5、圖6所示。

由圖5可知，DC?DC電路最終完成了穩定輸出360 V直流電壓的任務，沒有出現瞬時過電壓。針對后級全橋逆變筆者利用saber軟件自帶的波形計算器功能把負載兩端電壓相減或者直接在仿真圖上差分放大[7]。由圖6可知，看到瞬變過電壓降到200 V以下，在半導體元件可承受范圍內，逆變器輸出電壓為220 V左右，波形平穩光滑，并且是按正弦周期變化的，符合設計要求。

4 實驗結果

依據上述方案設計制作了車載逆變電源，如圖7所示。利用數字示波器測量輸出電壓波形，如圖8所示。逆變器輸出電壓為220 V左右，頻率為50 Hz左右，電壓波形平滑，諧波失真小，抗干擾能力強，大幅度提高了整機應用的穩定性和可靠性。

5 結 語

本文設計一款基于TVS的車載逆變電源，包括推挽正激DC?DC和全橋逆變DC?AC兩級拓撲結構。由于采用了TVS管，使得電路可靠性提高，穩定性好，并具有良好的轉換效率。同時也解決了車載逆變電源日常供電的安全問題。經實際運行測試，該逆變器可有效吸收瞬變過電壓，滿足一般電器的車載用電需求，有較強的應用價值和安全性能[8]。但是本文只結合前級DC?DC電路進行TVS管保護性能的研究[9]，沒有涉及后級DC?AC電路，因此，TVS管結合車載逆變電源的研究還需要更全面更細致的工作，使車載逆變電源變得更加安全和穩定。endprint

注：本文通訊作者為王立鵬。

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