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| 便携式冰柜用的DC/AC逆变电源 | |||||
作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2007-5-11  |
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1引言 便携式冰柜的逆变电源（DC/AC）是专为车用冰柜配套研制的，其输入电源为12V的蓄电池，输出为纯正弦波。与国内外同类产品相比，具有输出功率大、谐波成分少、波形失真度小和效率较高等特点。由于针对车用环境，设计了独特的延时启动、运转、过热、过流以及输入欠压保护电路，因此保证了车载电子设备（系统）工作的相互兼容性和可靠性。 2电路方案的确定 随着电子电路和功率半导体器件的发展，构成这种逆变器的方案很多，但是各个方案的性能、体积与重量相差甚远。由于50Hz～60Hz低频变压器方案的体积与重量大，这里不能采用。因此，必须采取高频变压器耦合的电路方案。 由于冰框选用旋转压缩机，在它开始启动时，接入线路的 250μF左右的启动电容器要消耗较大的无功功率，此时，蓄电池提供的电流高达25A～30A。因此，如果采取直接经高频变压器1次完成调制与升压，变换器初级必然流过很大的电流，这样，功率开关管、高频变压器初级以及印制线路将消耗较大功率，最终使得逆变电源给不出功率。 为了解决上述问题，选用两级变换的设计方案。蓄电池直流电压先经过PWM高频变压器升压，整流滤波成较高的稳压直流电压，完成第一级变换。第二级变换的驱动波形为SPWM，经高频变压器完成调制与二次升压，整流滤波后，去掉高频成分，得到全波脉动波形输出，然后再使功率半导体开关以60Hz的方波驱动，轮流导通，即获得要求幅值的正弦交流输出。 从形式上看，在第二级变换中，前面的变换是SPWM驱动，而后面的变换是低频60Hz的方波驱动，对功率开关管的频率要求较低，而且开关管是在电压基本为零时动作的，具有类似零电压开关（ZVS）损耗极小的特点。 当然，由于一、二两级变换都是高频变换，对功率开关管的要求都比较高，而高频工作下存在的开关损耗，对整机效率的提高有一定影响。 3电路框图及工作原理 电路框图如图1所示。第一级DC/DC高频变换的工作原理这里不再赘述。在第二级变换中，SPWM驱动系列脉冲，加到直流变换器中。高频变压器次级的输出经整流、LC低通滤波后，作为低频逆变电路的输入。又取正弦波发生器的输出正弦电压，经比较器获得与SPWM的60Hz基波电压同步、相位一致的半周期开关电压信号，驱动位于输出部分的功率管开关工作，将半个周期的正弦波翻转成负值，从而得到60Hz的正弦波电压。本电源具有以下几个特点：
（1）高频DC/AC变换采用标准的推挽工作方式，拓扑结构简单，驱动容易； （2）利用单片PWM控制器担当SPWM推挽信号的调制，其功放级包含死区控制和功率放大两个功能，既简化了电路，又发挥了功能全和通用性强的特点； （3）输出正弦波电压反馈信号和基准正弦波共同参与形成SPWM信号，改善了电源的源效应和负载效应，减小了输出正弦波的失真度； （4）发挥了SPWM方式逆变器体积小、噪音低、效率高的优点； （5）独特的输出过流检测方式，使电源的输出过流和短路保护更为可靠； （6）调试参量少，适于批量生产。 电源中的有关主要点的波形如图2所示。 4技术关键和解决措施 41技术关键和难点 根据控制理论，为了获得失真度小和幅值稳定的正弦波输出电压，逆变电源应是1个闭环控制系统。因此，形成SPWM控制系统脉冲的正弦波误差信号如何方便、正确的获得是制作电源的关键。 本电源的输出功率较大（启动：120W，正常工作：80W），但却要求体积小、重量轻、电路也不能太复杂、工作可靠。这是研制的关键，也是难点所在。 本电源的瞬间过载能力和过流（短路）保护与其他电源不同。为了防止启动过程中的瞬时过载造成压缩机供电中断和保护电路频繁动作，以及运转过程中收到过载（短路）信号时电源能得到可靠保护，其保护电路的设计非常重要。 42解决措施 421采用动态基准波调制 在逆变器的调制与控制技术中，产生SPWM信号通常是数字电路与模拟电路的组合，或者用ROM与D/A转换电路来实现。近年来，国外许多公司相继推出一系列控制电路，使用看似方便，实际上却也不易，且价格较为昂贵。为了降低实用电路的成本，本电源使用普通的PWM控制芯片作为SPWM产生器。 简单的正弦调制是由正弦波与高频三角波（这里是锯齿波）进行时序处理，产生宽度变化符合正弦规律的脉冲序列，三角波频率就是载波频率。在输出波形中只要滤除掉这个载频，就得到纯的正弦波。但是，实际的SPWM 电路，由于参与调制的模拟电路精度和频响受到限制、数字电路和驱动电路具有延时特性、大功率管存在开关上/下沿和存储时间，以及为了防止共同通导设置的死区等因素造成的失真及交流输出回路造成的相移等影响，调制波经解调得到的输出波形，与输入基准波在谐波含量和相位特性上已有相当的差别。因此，实际采取的措施是利用反馈信号与基准波共同产生“动态基准”波进行正弦波调制，如图3所示。 图中，稳幅文氏电桥正弦波振荡器和绝对值电路由LS8778组成，SPWM控制芯片选择LS8776。在这里，输出反馈采用直接反馈，而不采用积分电路等形式，这样，频响特性好，能够得到更好的动态调整和电压稳定性，能有效抑制输入干扰和瞬变，波形失真度小。 422过载能力的考虑及过流（短路）切断保护电路 在工作过程中，电源随时都可能出现瞬时过载现象。在UPS中，设有旁路开关功能，当接收到瞬时过载信号时，为了保护UPS，通过静态开关将负载转至市电供电，当过载信号消失后又转回正常UPS供电。这对本电源显然是不可能的。 在本电源中，当收到温控器启动信号、电源处于启动状态时，若输出短路或启动电流大于8A，为了保护功率器件，立即使逆变输出电压下降（不会影响负载正常工作），进行限流保护。如果是瞬时过载，待负载状态恢复后，自动转入正常供电；超过设定的启动时间后，若故障仍未消除，则再延时1s后关断输出。这样，功率开关管的发热较小，可靠性得到提高。而当电源处于正常运转情况下，若发生输出短路、压缩机堵转或输出电流大于3.8A，则立即采取保护关机。三分钟后，若温控器启动信号仍然存在，电源自动重新启动。 5主要性能指标及结论 输入电压：10.5VDC～18.5VDC 输出电压：24V±1V正弦波 输出频率：60Hz±2Hz 输出波形失真度：≤5％ 启动电流：≥75A（15s～20s） 运转电流：2A～3.5A 输出过流保护： 电源处于启动状态，若启动电流大于8A，限流保护；超过设定的启动时间后，若故障仍未消除，再延时1s后关断输出。电源处于运转情况下，若输出电流大于3.8A，关断输出。3min后电源根据启动信号可自动重新启动。 过热保护： 当电源散热器温度达到大约85℃±5℃时，电源自动关断；待散热器温度降到约60℃±5℃，若温控器启动信号仍然存在，电源自动重新启动。 输入欠压保护： 为了保护蓄电池，确保逆变电源可靠启动，当输入电压低于105V时，电源关断；输入电压恢复至11.5V以上时，电源重新启动。 输入电源极性接反保护： 当输入电源正负极性接反时，电源不工作，也不会损坏。 上述电源的性能指标满足了用户提出的要求。由于汽车工况的复杂性，为了确保车用其他电器的正常工作，进一提高电源的效率、电磁兼容性、抗电池电压的不稳定性以及高低温、抗震等性能，使该产品最终满足市场的迫切要求，这是我们以后工作的重点。 |
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