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1、 毕业设计（论文）（2012届毕业生）题 目 小率单相逆变电源的设计制作 指导教师 系 部 电子与新能源工程技术系 专 业 应用电子技术 班 级 09级应用电子技术 学 号 200902050124 姓 名 2011年 9月 19 日至 2011年 11月 18日共 9 周 摘要该设计主要应用电力电子电路技术和开关电源电路技术有关知识。涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片KA7500B的固定频率脉冲宽度调制电路及场效应管（N沟道增强型MOSFET）的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好的优点而组合设计的电路。该逆变电源的主要组成部分为：DC/DC电路、输
2、入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路、DC/AC变换电路、振荡电路、全桥电路。在工作时的持续输出功率为150W，具有工作正常指示灯、输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。该电源的制造成本较为低廉，实用性强，可作为多种便携式电器通用的电源。关键词：过热保护；过压保护；集成电路；振荡频率；脉宽调制逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流
3、电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求 Abstract The main application of power electronic circuit design technology and switching power supply circuit technology knowledge. Involves analog integrated circuits, power supply integrated circuits, DC circuit, the switching regulator circuit theory,
4、make full use of the chip KA7500B fixed frequency pulse width modulation circuit and FET (N-channel enhancement mode MOSFET) switching speed, no second breakdown, thermal stability, good benefits and the modular designof the circuit. The inverter main components: DC / DC circuit, inputovervoltagepro
5、tection circuit, output over-voltage protection circuit, overheat protection circuit, DC / AC conversion circuit, oscillation circuit, full-bridge circuit. In the work of continuous output power of 150W, with a normal light work, output overvoltage protection, input over-voltage protection and therm
6、al overload protection. The power of the relatively low manufacturing cost, practical, and a variety of portable electronic devices can be used as a common power supply. Keywords: thermal protection; over-voltage protection; integrated circuits; oscillation frequency; pulse width modulation 目录第一章1.1
7、概述11.1.1该逆变电源的基本构成和原理11.1.2逆变电源的技术性能指标及主要特点31.2逆变电源的主要元器件及其特性31.2.1 KA7500B电流模式PWM控制器31.2.2场效应管61.2.3三极管71.2.4 LM324N功能及特点第二章2.1各部分支路电路设计及其参数计算72.1.1 DC/DC变换电路（附工作指示灯）72.1.2输入过压保护电路92.1.3输出过压保护电路102.1.4 DC/AC变换电路11第三章3.1.1 KA7500B芯片外围电路123.1.2 KA7500B芯片外围电路133.1.2该逆变电源的整机电路原理图(附录A)143.1.3该电路的元件参数表(附
8、录B)143调试15附录A整机原理图16参考文献20致谢21 第一章1.1概述 1.1.1该逆变电源的基本构成和原理（1）基本构成该设计电路的方框图如图1。该电路由12V直流输入、输入过压保护电路、过热保护电路、逆变电路I、220V/50KHz整流滤波、逆变电路II、输出过压保护电路等组成。逆变电路I、逆变电路II的框图分别见图2、图3。逆变电路又包括频率产生电路（50KHz和50Hz PWM脉冲宽度调制电路）、直流变换电路(DC/DC)将12V直流转换成220V直流、交流变换电路(DC/AC)将12V直流变换为220V交流。图1 整机原理方框图逆变电路I原理如图2所示。此电路的主要功能是将1
9、2V直流电转换为220V/50KHz的交流电。 图2 逆变I电路原理方框图逆变电路II如图3所示。此电路的主要功能是将220V直流电转换为220V/50Hz的交流电。全桥电路以50Hz的频率交替导通，产生50Hz交流电。图3 逆变II电路原理方框图（2）电路工作原理输入12V直流电源电压，经过逆变电路I得到220V/50KHz的交流电，此交流电再经过整流滤波电路得到220V高压直流电，然后经过逆变II得到220V/50Hz交流电。其中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路构成整个电路的保护电路。一旦输入电压出现过大或者过小时，保护电路立即启动，然后停止逆变电路I的工作。过热保护电路是
10、当电路工作温度过高时，启动保护使逆变电路I停止工作。输出过压保护电路与逆变电路II构成反馈回路，一旦电路输出异常则停止逆变电路II的工作。在逆变电路I中是用一块KA7500B芯片产生50KHz的脉冲频率，经过变压器推挽电路将12V直流转换成220V/50KHz的交流电。在逆变电路II中再用一块KA7500B芯片产生50Hz的脉冲波，全桥电路以50Hz的频率交替导通，从而将220V直流和50Hz脉冲电路整合，然后输出220V/50Hz的交流电。在该电路中都是利用KA7500B的输出端作为逆变电路工作状态的控制端。1.1.2逆变电源的技术性能指标及主要特点（1）输入：12V直流（汽车蓄电池）。（2
11、）输出：220V交流（非正弦波）。（3）输出功率：大于100W。（4）具有输入过压保护和输出过压保护。（5）有过热保护功能。（6）可作为多种电器的通用电源。（7）含有工作正常指示灯。1.2逆变电源的主要元器件及其特性1.2.1 KA7500B电流模式PWM控制器KA7500B是一块开关式脉冲宽度调控电路， 主要用于开关式电源控制。 采用 DIP16/SOP16封装形式。KA7500B是一块脉冲宽度调制方式的开关稳压控制器电路，由基准电压震荡器误差放大器比较器FF（触发器）输出控制电路输出晶体管和空载时间等电路构成输出晶体管，能够用输出控制电路选择推挽工作或单端放大工作。（1）主要特征KA750
12、0输出电流：I 0=200mA 工作频率：f=1300kHz 内置两个相同类型的误差放大器 内置5V基准电压 可选择输出方式 （2）脉宽调制集成电路KA7500B各引脚功能及实测数据参见表1。表1：脉宽调制集成电路KA7500B各引脚功能及实测数据引脚号 引脚功能 工作电压（V） 在路电阻值（K）正向反向1电压取样放大器同相输入端 4.84.572电压取样放大器同相输入端 4.688.83反馈控制端2.29.2 4脉宽调制输出控制端（死区控制端）09.5195振荡10.6912.66振荡209217地0008脉宽调制输出1 27.5219地00010地00011脉宽调制输出1227.52112
13、电源输入端56.21713输出方式控制端54414电压取样比较放大器负端 54415电流取样放大器反相输入端 54416电流取样放大器同相输入端27.58（3）工作原理KA7500控制2个功率开关管轮流开、闭，并通过高频变压器将能量传送到次级，然后通过高频整流二极管还原成直流低电压，经过滤波后提供+12V、+5V、-5V、-12V电压。通过1脚的取样电路我们可以调节整个输出部分的电压大小。整个回路选用元件比较普通，但安排的很整齐，没有东倒西歪的元件，结构规范。高频变压器比正常的略大一些，电阻全部采用4环1/8W电阻，全部卧式焊接，最后用高温胶固定较大的部件。图4 KA7500B内部结构图输入电
14、源电压为740V，可用稳压电源作为输入电源，从而使辅助电源简化。KA7500B末级的两只三极管在740V范围工作时，最大输出电流可达250mA。因此，其带负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可将两路输出并联工作，小功率时可直接驱动。内部有5V参考电压，使用方便，当参考电压短路时，有保护功能，控制很方便。内部有一对误差放大器，可做反馈放大及保护功能，控制非常方便。在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中又需要方波人为不对称，即需控制方波的占空比。通过对KA7500B的4脚控制，即可调节占空比，还可作输出软启动保护用。可以选择单端、并联及交替三种输出方式。KA7500B的1脚及2脚为误
15、差放大器的输入端。由KA7500B芯片构成电压反馈电路时，1、2脚上通过电阻从内部5V基准电压上取分压，作为1脚比较的基准。3脚用于补偿校正，为PWM比较器的输入端，接入电阻和电容后可以抑制振荡，4脚为死区时间控制端，加在4脚上的电压越高，死区宽度越大。当4脚接地时，死区宽度为零，即全输出；当其接5V电压时；死区宽度最大，无输出脉冲。利用此特点，在4脚和14脚之间接一个电容，可达到输出软启动的目的，还可以供短路保护用。5脚及6脚接振荡器的接地电容、电阻。KA7500B内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下： (1)输出脉冲的宽度是通过电容Ct上的正
16、极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较而实现的。三极管VT1和VT2受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号时才会被选通。当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，其中一条送至死区时间比较器，另一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%。当输出端接地时，最大输出占空比为96%，当输出端接参考电平时，占空比为48%。在死区时间控制端上接固定电压（在03.3V之间）时，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。PWM比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提
17、供了一个手段：当反馈电压从0.5V变为3.5V时，输出的脉冲宽度由被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到Ucc-2.0V的共模输入范围，这可从电源的输出电压和电流中察觉到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与PWM比较器反相输入端进行“或”运算。正是由于这种电路结构，误差放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当Ct放电时，一个正脉冲将出现在死区时间比较器的输出端，受脉冲约束的双稳态触发器进行计时，同时停止VT1和VT2的工作。若输出控制端连接到参考电压上，那么调制脉冲交替送至两个三极管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且占空比小于50%时，则
18、输出驱动信号可分别从VT1和VT2中取得。输出变压器为一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更大的驱动电流输出时，可将VT1和VT2并联使用，这时需将输出模式控制端接地，以关闭双稳态触发器。在这种状态下，输出脉冲的频率将等于振荡器的频率。KA7500B内置一个5V的基准电压产生电路，使用外置偏置电压时，可提供高达10mA的负载电流。在典型的070温度范围和50 mV电压的温漂条件下，该基准电压产生电路能提供5%的精度。1.2.2场效应管场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。它是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件3。其代表符号如图5。这种器
19、件不仅兼有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因此大大的扩展了它的应用范围，特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。MOSFET开关较快而无存储时间，故在较高工作频率下开关损耗较小，另外所需的开关驱动功率小，降低了电路的复杂性。本设计采用的是N沟道增强型MOSFET。只有在正的漏极电源的作用下，在栅源之间加上正向电压（栅极接正，源极接负），才能使该场效应管导通。当0时才有可能有电流即漏极电流产生。即当时MOS管才导通。图5 MOSFET代表符号图1.2.3三极管本设计选用了两种三极管
20、，因为电路中有50KHz和50Hz两个频率，用于50KHz电路的三极管选择为8550型4，而用于50Hz低频的三极管选择为KSP44型。三极管的工作状态有截止、放大、饱和三种。此设计电路中主要运用三极管的导通截止的开关特性。1.2.4 LM324N功能及特点 LM324是四运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿 的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM324N的内部电路图 LM324N的管脚排列图 LM324N
21、的特点 内部频率补偿 直流电压增益高(约100dB) 单位增益频带宽(约1MHz) 电源电压范围宽：单电源(332V)； 双电源(1.516V) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V) 第二章2.1各部分支路电路设计及其参数计算2.1.1 DC/DC变换电路（附工作指示灯）由DC/AC和整流滤波电路组成5。电路结构如图6，VT1和VT2的基极分别接KA7500B的两个内置晶体管的发射极。中心器件变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。此脉冲电
22、压经过整流滤波电路变成220V高压直流电压。变压器T1的工作频率选为50KHz左右4，因此T1可选用EI33型的高频铁氧体磁心变压器，变压器的匝数比为，变压器选择为E型，可自制。经过实践调制选择初级匝数为102，次级匝数为190。即满足变压器匝数比约为0.05。电路正常时， KA7500B的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管VT1、VT2的基极也因此而交替导通，VT3和VT4 交替导通。因为变压器选择为E型，这样使变压器工作在推挽状态，VT3和VT4以频率为50KHz交替导通，使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。当VT1导通时，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，
23、导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。当VT1导通时，VT2截止，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。且交替导通时其峰值电压为12V，即产生了12V/50KHz的交流电。当电路工作不正常时，KA7500B输出控制端为低电平时，KA7500B的两个内置晶体管的集电极（8脚和9脚）有12V正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。VT1和VT2因为基极都为高电平而饱和导通，而场效应管VT3、VT4将因栅极无正偏压都处于截止状态，逆变电源停止工作，LED指示灯熄灭。极性电容C1滤去12V直流中的交流成分，降低输入干扰。滤波电容C1可取为22
24、00。R1、R2、R3起限流作用，取值为4.7。整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，称单相桥式整流电路2。在桥式整流电路中，电容C2滤去了电路中的交流成分，由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路2知： (2) 当f=50KHz时，R=116时，R为后继负载电阻，则F。根据电容标称值选择C2为10。输出220V高压直流电，供后继逆变电路使用。 图6 直流变换电路图2.1.2输入过压保护电路电路结构如图7，由DZ1、电阻R1和电阻R2、电容C1、二极管VD1组成。输出端口接KA7500B芯片I的同相输入端（第1脚），通过该芯片的误差比较器对其输出进行
25、控制6，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进行负载保护。VD1、C1、R1组成了保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电压过大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿C1和R1支路充电，继续维持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。当C1和R1充电完成，C1和R2支路开始处于放电状态，当C1放电完成时，KA7500B芯片I的同相输入端由低电平翻转为高电平，导致KA7500B芯片I的3脚即反馈输入端为高电平状态，进而导致KA7500B芯片内部的PWM比较器、或门、或非门的输出均发生翻转，KA75
26、00B芯片内置功率输出级三极管VT1和VT2均转为截止状态。此时将导致直流变换电路的场效应管处于截止状态，直流变换电路停止工作。同时KA7500B的4脚为高电平状态，4脚为高电平时，将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器的输出为恒定的高电平，由KA7500B芯片内部结构知，芯片内置三极管截止，从而停止后继电路的工作。稳压管的稳压值一般为输入电压的100%130%。稳压管DZ1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值。考虑到汽车行驶过程中电瓶电压的正常值变化幅度大小，通常将稳压管的稳压值选为15V或者16V较为合适。在此取为15V，稳压管的功率为0.15W。R1取为100，R2
27、、R3均取为4.7，C1、C2均取为47。 图7 输入过压电路保护图2.1.3输出过压保护电路电路结构如图8，当输出电压过高时将导致稳压管DZ1击穿，使KA7500B芯片II的4脚对地的电压升高，启动KA7500B芯片II的保护电路，切断输出。VD1、C1、R2组成了保护状态维持电路，R3、R4为保护电阻，用以增大输出阻抗。稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%150%7。后继电路为220V/50Hz输出，其中负载电阻为100，KA7500B芯片II的输出脚电压最大为12V，R1为限流电阻可取值为100，R2为保护电阻可取为16，根据电路分压知识8，则R2上的电压为：V (3) 即稳压管的
28、电压取值最大为30.34V，这里稳压管取值为30V。图8 输出过压电路保护图2.1.4DC/AC变换电路电路结构如图9，该变换电路为全桥桥式电路6。其中KA7500B芯片的8脚和11脚为内置的两个三极管的集电级，且两个内置三极管是交替导通的，变替导通的频率为50Hz。图中8脚和11脚分别接入了上下两部分完全对称的桥式电路，因为两三极管交替工作，工作频率为50Hz，所以选用桥式电路，目的在于得到50Hz交流电。上下两部分电路工作过程完全相同。选其中一部分作为说明。这里将其简化如图10。图中VT0为KA7500B芯片II的一个内置三极管设为VT00，另一个设为VT01。当VT00导通时，即VT01
29、截止时：VT1的基级没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3的栅极有12V正偏电压，使VT3导通。而VT4因为栅极无正偏压截止，输出220V电压。当VT00截止时，即VT01导通时：VT1基级有12V正偏压，集电极有12V反向电压，从而导通。VT3的栅极无正偏电压，从而使VT3截止。而VT4因为栅极有12V正偏压导通。因为VT3截止，220V电压无法送至输出。但此时下半部分的电路有220V电压输出。因为此时KA7500B芯片II的另一个内置三极管VT01导通，它的集电极即第11脚使逆变电路I有220V电压输出。原理同上。上下两部分以频率为50Hz而交替导通，从而使电路有220V/50Hz的交流
30、电输出。由于KA7500B芯片为脉冲调制器，其产生的波形为脉冲波而不是正弦波。VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6应选择低频小功率型的。这里VT1和VT2为晶体三极管可选择KSP14型，VT3、VT4、VT5和VT6为场效应管可选择为IRF740型。限流电阻可选择10、1、4.7、3.3的经典取值。C1、C2和C3均为平滑输出的吸收电容。C1和C2可取为10，C3取为0.01。图9 DC/AC转换电路图图10 简化图 第三章3.1.1 KA7500B芯片外围电路电路结构如图11，包含过热保护电路及振荡电路。15脚为芯片KA7500B的反相输入端，16为同相输入端，电路正常情况下15脚
31、电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出为低电平，才能使芯片内两个三极管正常工作。因为芯片内置5V基准电压源，负载能力为10mA。所以15脚电压应高于5V。15脚电压计算式为： (4)这里为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在150300范围内任选，适当选大写可提高过热保护电路启动的灵敏度。这里取200。R1取36，R2取39，则15脚电压为6.22V。符合要求。该脉宽调制器的振荡频率为50KHz，由公式（1）知，图中C2、R3为芯片的振荡元件。C2即为，R3即为。其中取为50KHz，C2取4700，则R3取4.3。图11 KA7500B芯片I外围电路3.1.2 KA7500B芯片外围电
32、路电路结构如图12，同样15脚为芯片KA7500B的反相输入端，16脚为同相输入端，电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出为低电平，才能使芯片内两个三极管正常工作。因为芯片内置5V基准电压源，由图可知15脚的电压为5V，16脚的电压为0V。芯片内置比较器II的输出为低电平。5脚和6脚为振荡器的定时电容和定时电阻接入端。因为要使输出频率为50Hz，由公式知：当取为220时， ，可取为0.1。C1和R2是芯片的振荡元件，即是R2取值为220，C1取值为0.1。芯片的8脚和11脚接逆变电路II，4脚接输入过压保护电路。电容C2取值为47，电阻R3取值为10，当输入过压
33、保护电路启动后，使电容C2对R3放电，使4脚保持为低电平，使KA7500B芯片II的电路维持一端时间，直到C2放电完毕，则使4 脚为高电平，抬高死区电压，从而使芯片II停止工作。图12 KA7500B芯片II外围电路3.1.3该逆变电源的整机电路原理图(附录A)3.1.4该电路的元件参数表(附录B)3调试该逆变电源在接通12V直流电源后，LED指示灯亮，说明电路工作正常。由于该电路设有上电软启动9功能，在接通电源后要等7S左右才有220V直流输出。若发生输入电流过大、输出电压过大或者电路工作环境过热的情况均会使LED指示灯变暗，说明逆变电路停止工作。若在接通电源后要等10S左右指示灯还没有点亮
34、，说明逆变电路有问题或者LED灯极性安装反了。该电路的PCB板10示意图见附录C。附录A整机原理图 附录B元件参数表表2 元件参数表装配位号装配参数装配位号装配参数C1C3C5C7C9C11C14VD1VD4VD9VD11VD13DZ1IC1、IC2VT1、VT3VT5、VT8VT9、VT10R2R4R6R8R11R13R15R17、R18R20R22R25R2722F/16V47F/16V2200F/16V47F /16V0.01F0.22F0.01F/1000V1N41481N41481N414815V/0.5WKA7500BCN8550KSP44IRF74039K2704.7K4.7K1
35、0K10K1K4.7K10K1K3.3KC2C4C6C8C10C12C13C15VD5VD8VD12VD14DZ2LEDVT2、VT4VT6、VT7R1R3R5R7R12R14R16R19R21R23、R24R2647F/16V4700pF47F/16V0.1F0.01F10F/400V10F/50V10F/50VHER306FR107FR10730V/0.5W绿色3IRF3205IRF74036K100K100K4.3K470K220K4.7K3.3K1K4.7K16K续表2装配位号装配参数装配位号装配参数DCINRtR28、R2912V/DC150100KX AC T1-弹片插孔EI33-参考文献1开关电源控制电路 2电力电子电路3456789 10 致谢
