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12V300W单极性隔离纯正弦波逆变器设计报告

  一、机器基本参数 

   标称功率:300W ;持续功率:250W ;峰值功率:600W ; 

   输出电压:输出为单相220VAC(有效值),频率为50±1Hz。

   整机效率:87% 以上;300次开机短路,200次短路开机; 

   过载保护 500W ;短路立即保护;欠压告警10.3V 延时1.5S;

   欠压保护10V 立即关断;过压保护15V 立即关断;过热保护:65℃                                                                        

 二、此款逆变器的基本情况(架构,组成) 

   总体来说,这是一款12V单极性隔离纯正弦波逆变器,这款逆变器由三大部分组成:前级驱动板;后级驱动板;功率板。 

   1、前级驱动板主要是由三个部分组成,供电电源部分,PWM 驱动部分,和过欠压保护部分; 

   2 、后级驱动板主要由三个部分组成:SPWM 信号的产生(单片机EG8010)部分,IR2110的驱动部分,和过流保护保护部分。(详解请见EG8010 SPWM芯片数据手册) 

   3 、功率板主要组成部分:功率板主要包括了前级反接保护,DC-DC推挽升压,整流滤波和H桥逆变部分;还包括了过流保护电路,准闭环反馈部分和欠压告警电路等小部分。

三、电路结构及原理分析

  1、前级驱动板

   A 、供电电源部分

  在前级驱动电路中,BT输入电压范围为10~15V,而SG3525工作电压范围宽为 8~35V,LM358单电源电压范围宽为3~30V,所以BT电压足以驱动两块芯片,所以前级供电电源部分可以直接使用BT供电。

  B 、PWM 驱动部分

如上图所示,电路由SG3525产生PWM信号,当这部分电路接入12V 的电源后,SG3525得电,进而由内部振荡器和外部振荡电容C4、电阻R5及死区时间设置电阻R8构成的振荡电路产生钜齿波,为整个IC提供时钟源,让IC进行工作状态,因为接入了开机软启动电容C6。开机后输出的矩形脉冲是先从最小占空比变化到50% 的状态的,主要是保护此信号所推动的MOS 不是一开机步工作在较大的占空比状态,减轻了开机瞬间 MOS 的冲击压力。

SG3525芯片,其PWM信号由11脚和14脚且两脚输出,输出波形相位相差180度,互为反相。注意上图中在PWM1和PWM2两路信号中有两个10K 的电阻(R10和R11)将PWM 信号拉到地,这有什么用呢,其实这个下拉非常有必要,是给SG3525 的PWM 信号加一个假负载,使信号稳定不浮跃。在关机时不会因为一些静电而产生高电平,使功率板上的MOS 栅极同时产生高电平,在大容量电池供电情况下导通而炸管。SG3525管脚图如下(更多详解请见SG3525资料)

1.Inv.input(引脚1):误差放大器反向输入端

2.Noninv.input(引脚2):误差放大器同向输入端

3.Sync(引脚3):振荡器外接同步信号输入端。

4.OSC.Output(引脚4):振荡器输出端。

5.CT(引脚5):振荡器定时电容接入端。

6.RT(引脚6):振荡器定时电阻接入端。

7.Discharge(引脚7):振荡器放电端。

8.Soft-Start(引脚8):软启动电容接入端。

9.Compensation(引脚9):PWM比较器补偿信号输入端

10.Shutdown(引脚10):外部关断信号输入端。

11.Output A(引脚11):输出端A。

12.Ground(引脚12):信号地。

13.Vc(引脚13):输出级偏置电压接入端。

14.Output B(引脚14):输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。

15.Vcc(引脚15):偏置电源接入端。

16.Vref(引脚16):基准电源输出端

    在此电路中SG3525的电压反馈采用了准闭环调制。其原理是,由SG3525的16脚产生的+5V经R9和R4分压提供,给SG3525 的2脚引入一个固定基准电压,1脚接前级升压后的高压分量HV,当输出高压的分量HV大于2脚上的固定值时,SG3525内部误差放大器将会将大于2脚的电压的变量作为误差,对其进行放大,误差放大的量来对PWM 的占空比进行调制,使逆变器在开机空载时有一个很小的静电流。做好这一功能的原则是,在空载时能使PWM 的占空比达到最小,在带载的时候要马上将占空比拉到最大,使用电路工作在最高效率状态。

  C、过欠压保护部分

    如上图所示,保护部分的电路由LM358完成,这个保护电路是一个简单的窗口比较电路,只包括了过压保护和欠压保护。工作原理分析如下:因为BT输入电压范围为10~15V,当BT低于10V时为欠压,BT高压15V时为过压,所以设置USW=10V欠压时,U1为欠压保护基准点,当USW=15V过压时,U2为过压保护基准点。如上图由+5V供电,R7,R14,R22设置比较器的基准电压U1U2

  欠压保护:当SW端电压USW≦10V时,LM358的6脚电压Usw1就会低于5脚电压U1,7脚输出高电平,即SD控制脚为高电平,所以SG3525的10脚控制脚SD为高电平,以致关断PWM信号输出。

  过压保护:当SW端电压USW≧15V时,LM358的3脚电压Usw2就会高于2脚电压U1,7脚输出高电平,即SD控制脚为高电平,所以SG3525的10脚控制脚SD为高电平,以致关断PWM信号输出。

  注意:如上图,R20和R21很重要,都为1M电阻。在电路中起到正反馈的作用,使LM358构成滞回电路。有效的减少开关振玲;调节电位器R22可以改变滞回电路的阈值及回差大小。

2、后级驱动板

【认真阅读EG8010 SPWM芯片数据手册中的引脚描述,根据所需功能选择引脚的功能参数。】

 1)电源供电部分:

    +5V给EG8010供电,需要+5V稳定的电源为后极板供电;由+15VIR2110S芯片供电。该电源部分主要由变压器的辅助电源经全波整流、滤波和稳压之后产生,如下图所示(该部分在功率板上):

2SPWM部分

  A 、SPWM的产生

       主要由单片机芯片EG8010产生。(详解请见EG8010 SPWM芯片数据手册)

   B、保护部分

    1)过流保护检测:

 电路参照《EG8010 SPWM芯片数据手册》6.2  EG8010+IR2110S+闭锁纯正弦波逆变器典型应用电路图(单极性调制方式)

  用RS电流采样法,即在后级功率H桥的下管S极到功率地串接采样电阻,当出现过载或短路时,会有较大电流流过采样电阻,进而产生压降,运用专业比较器采集此压降和一个固定阈值进么比较,大于此值时输出高电平,而后引这个高电平来做保护关断信号,在过载的时候关断前级PWM 和后级SPWM 驱动信号,保护前后级MOS管不因过大电流而损坏。

  将采集到的信号,经滤波之后分两路走,一路经R38和C24组成的延时网络进行短暂的延时之后,再控制单片机EG8010的14脚IFB,判断是否关断SPWM信号;一路引入比较器LM393的3脚与2脚的基准电压比较之后,再由比较器的1脚产生的信号来控制两块IR2110S的13脚SD端。

  因为在带感性或容性负载时,刚接入负载时冲击很大同,此时的功率可能会超过逆变器所设计的过载功率,但又不能一过载就关断,所以在接入比较器前将信号进行RC (R7、C21)延时,如果在延时时间后仍然过载就关断了,如果没有没有过载就继续工作,这样就有利于逆变器稳定有效的带动冲击性大的负载。在上图中.短路保护和过载保护的方式类似,短路保护就是严重过载,只是在过载时延RC 常数要设置在短路后后级H 桥不烧MOS 的范围内就可。

  2)输出电压反馈调整:由于本电路为单极性逆变电路,所以在单极性调制模式下,EG8010芯片的电压反馈是通过13脚VFB测量逆变器的交流输出。

    如下图所示:对高频臂进行信号采集,采集后接EG8010的13脚VFB端口,对输出电压值作出相应调整。

  3)温度检测反馈:EG8010芯片15脚TFB用来检测逆变器工作温度,主要用于过温检测和工作温度液晶显示作用。选用25℃对应阻值510Ω的热敏电阻;如果不使用温度保护功能,该引脚需要被接地。 

   4)风扇控制:

EG8010芯片的7FANCTR为风扇控制端,该电源部分主要由辅助电源经半波整流、滤波提供,,如下图所示(该部分在功率板上):当芯片15TFB引脚检测到温度高于45℃时,芯片7脚FANCTR端输出高电平,三极管S8050集电极和发射机导通(三极管为开关作用),风扇运行,运行温度低于40℃时,芯片7脚输出低电平,风扇停止工作。

   5)死区时间设置:EG8010芯片的1脚DT1和2脚DT0是控制死区时间,死区时间控制是功率MOS管的重要参数之一,如果没有死区或死区时间太小会导致H桥上下管同时导通而烧毁MOS管的现象,如果太大会导致波形失真及功率管发热严重的现象。详见EG8010 SPWM芯片数据手册引脚描述,根据需要选择死区时间。

C、IR2110S的驱动部分:

IR2110S驱动电路是典型的应用电路。其工作原理就不多讲了,大家可以自己下载电路图后分析。(更多即可网上搜索IR2110资料)

管脚图及引脚名称:

LO (引脚1) :低端输出

COM(引脚2) :公共端

Vcc(引脚3) :低端固定电源电压

Nc (引脚4) :空端

Vs (引脚5) :高端浮置电源偏移电压

VB  (引脚6)  :高端浮置电源电压

HO (引脚7) :高端输出

Nc (引脚8) :空端

VDD(引脚9) :逻辑电源电压

HIN(引脚10):逻辑高端输入

SD(引脚11) :关断

LIN(引脚12):逻辑低端输入

Vss(引脚13):逻辑电路地电位端,其值可以为0V

Nc(引脚14) :空端

3、功率板部分

A、前级反接保护,如下图所示:

上图中场效应管为IR1404(TO-220封装)N沟道MOS管,MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间,电阻R44=10Ω和R13=10K为MOS管提供偏置电压,利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开,从而防止电源反接给负载带来损坏。正接时候,R44提供栅极电压Vgs,MOS饱和导通。反接时Vgs不能达到MOS的开启电压,MOS不能导通,所以起到防反接作用。 

B、供电电源部分

   因为本电路是隔离电路,所以前后两级都应用不同的电源供电。所以前级用78L05TO-92)供电,后极用7815(TO-220)7805(TO-220)供电(见前面后极驱动电源供电部分)。如下电路图所示:

C、DC-DC推挽升压,整流滤波和H桥逆变部分:

该机的BT电压为12V,满功率时,前级工作电流可以达到25A以上,DC-DC升压部分用了一对IR1404(TO-220)封装的功率管。主变压器用了EI406(立式)的磁芯。前级推挽部分的供电采用对称平衡方式。高压整流快速二极管,用的是HER308。电感式27MM2.2mH的磁环,高压滤波电容是100uF/450V的大电容,此电容在允许的情况下,尽可能用的容量大一些,对改善高压部分的负载特性和减少干扰都有好处。 H桥逆变部分用的是4个FDP18N50,耐压500V,最大电流18A,前后级MOS管都非常充足,H桥部分的电路采用的是常规电路。 

D、准闭环反馈部分,如下图:

  前级电压反馈采用了光耦PE817控制TL431做隔离准闭环反馈电路。通过电阻R43和R4对400V高压进行采样后,与TL431内部基准电压1.25V进行比较,达到控制TL431的导通和关断,再通过光耦控制HV的电压,从而控制前级SG3525输出信号的作用。R12、C7与TL431内部比较器构成积分电路。

E、过流保护电路,如下图所示:(该方法即是做过载保护功能)

  通过二极管D5和D4分别对变压器EI406的初级进行电流采集,再经过比较器与基准电压比较之后,输出信号SD,达到控制前级SG3525的作用。

F、欠压告警电路,如下图所示:

如图所示,当SW端电压USW≦10V时,前级属于欠压状态,此时比较器LM358的2脚电压低于3脚的基准电压,LM358的1脚为高电平,所以NE555的4脚为高电平,此时NE555振荡电路处于工作状态,从而产生1.5S的滴滴报警声。

 四、PCB板的安装及测试

(注意:拿到电路图后,将对着电路将相关元件焊好,仔细点,切记不要把参数焊错了!!!)

前级驱动板 

空板图:

 

安装好之后如下图:

 

后级驱动板 

 

功率板

空板图:

 

 

PCB图:

安装好之后如下图所示:

  

    随后,就是调试功率板上的过欠压保护了,这部分应该不难,这里就不多说了(按照图纸的参数应该没问题)。

    最后,就是机器最重要的过载短路保护测试了,这也是逆变器最重要的一个性能。

    一切都已经基本调试成功了,让机器空载工作1小时以上,然后关机,放高压电。

    再把散热器装成上,如下图这个样子:

 

 

     最后,祝各位电源爱好者,新年快乐!!!

全部回复(54)
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gggiqpl
LV.4
2
2013-01-23 16:22
第一次坐沙发!!爽
0
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gggiqpl
LV.4
3
2013-01-23 16:24
@gggiqpl
第一次坐沙发!!爽

写得很认真,这样的好人现在少了

0
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l3555019
LV.5
4
2013-01-23 17:02

不错。写的真详细。支持一下。

0
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jxyxr
LV.3
5
2013-01-23 17:15
@gggiqpl
第一次坐沙发!!爽

好贴,一定要顶

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jxyxr
LV.3
6
2013-01-23 17:15
@gggiqpl
第一次坐沙发!!爽
王工也来了,
0
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35956911
LV.8
7
2013-01-23 17:59
有老寿600W那个一样详细的说明,少了PCB部分,呵呵,看起来很不错!
0
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2013-01-23 20:08
估计又要被抄为毕设了
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2013-01-23 20:52
@35956911
有老寿600W那个一样详细的说明,少了PCB部分,呵呵,看起来很不错!
后续会上来的哦,过一点时间吧
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逆变器
LV.4
10
2013-01-24 01:22

楼主 写的很仔细 ,非常 适合 我等新手 参考 ,

望楼主 多发这样的 帖子

 

楼主辛苦了 ……

0
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gggiqpl
LV.4
11
2013-01-24 03:13
@逆变器
楼主写的很仔细,非常适合我等新手参考,望楼主多发这样的帖子 楼主辛苦了……

继续飘过~~~~加精帖要狂顶!!

0
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廖远方
LV.9
12
2013-01-24 08:21

0
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2013-01-24 11:43
@gggiqpl
写得很认真,这样的好人现在少了

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2013-01-24 11:52
@逆变器
楼主写的很仔细,非常适合我等新手参考,望楼主多发这样的帖子 楼主辛苦了……
菜鸟初来咋到,大家顶一下吧!!!谢谢
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2013-01-24 11:54
@廖远方
[图片]
谢谢!!!
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2013-01-24 11:56
@jxyxr
王工也来了,
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2013-01-24 11:58
@秋天飘零的落叶
[图片]

 

大伙,帮菜鸟顶顶了,谢谢啦

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2013-01-24 12:00
@gggiqpl
继续飘过~~~~加精帖要狂顶!!
哈哈
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jakeccc
LV.5
19
2013-01-24 13:14
@秋天飘零的落叶
谢谢!!!

名师出高徒祝贺啊,来晚了

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2013-01-24 15:39
@秋天飘零的落叶
[图片]
确实是很好,但始终觉得功率小了点!
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fjfhjmh
LV.9
21
2013-01-24 16:20
@gggiqpl
第一次坐沙发!!爽
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fjfhjmh
LV.9
22
2013-01-24 16:20
@廖远方
[图片]
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fjfhjmh
LV.9
23
2013-01-24 16:20
太帅啦 新年快乐
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乐亦
LV.1
24
2013-01-24 17:00
做的好,写的更好!!!
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IGBT2010
LV.8
25
2013-01-24 18:31
太详细了,又一次看到了老寿精神,顶!!!
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2013-01-24 21:23
@zhongqingdianzi
确实是很好,但始终觉得功率小了点!
嗯,确实,但是原理是相通的呀,改一改就可以了,,,呵呵
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小矿石
LV.10
27
2013-01-24 21:37
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251683652
LV.6
28
2013-01-25 12:12
@小矿石
[图片]
好帖,学习了
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fjfhjmh
LV.9
29
2013-01-25 14:40
@251683652
好帖,学习了
乐于参与啊
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asouth
LV.8
30
2013-01-25 15:05
@fjfhjmh
乐于参与啊
好帖,学习了
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shinesz
LV.4
31
2013-01-25 18:56
散热有点小,不装风扇挺烫的吧?
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