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1、湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题 目：逆变电源设计 专业班级： 电气工程1082 学生姓名： 学号： 23 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2013 年 6 月 3日设计完成日期 2013 年 6月 14日 设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：功率变换（高频逆变）、高频滤波。控制电路主要环节：脉冲发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。2） 功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。3） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路
2、元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4 绘制总电路图5 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入输出电压 DC12V AC 220(+2%)V 50(+1)HZ2） 输出电流：1A 3） 电压调整率：1%4） 负载调整率：1%5） 效率：0.86） 功率因数：0.8 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封
3、面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四: 主电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期三四:写设计报告，打印相关图纸； 星期五:答辩及资料整理 参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王
4、兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998.康华光,陈大钦电子技术基础M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10目录1概述6（1）逆变电路原理6（2）电路工作原理72单元电路设计82.1.2高频滤波82.3各部分支路设计122.3
5、.1DC/DC变换电路122.3.2输入过压保护电路142.3.3输出过电压保护电路142.3.4DC/AC变换电路152.3.5TL494芯片I外围电路162.3.6TL494芯片II外围电路173故障分析与电路改进、实验及仿真等184总结与体会185附录206参考文献221概述该电源的设计主要要应用到功率转换、高频滤波等知识点，并且需要了解脉冲发生电路、脉宽调制PWM等电路。该电路可以将电瓶的12V直流电转换为220V/50HZ的交流电，为随身携带的许多电子产品提供稳定可靠的电源，具有相当强的通用性。1.1设计思路本电路的设计思路框图如下图1所示。该电路由12V直流输入、输入过压保护电路、
6、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220交流。1.2基本原理（1）逆变电路原理逆变电路I原理如图2所示。此电路的主要功能是将12V直流电转换为220V/50KHZ的交流电。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
7、。（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，此交流电在经过整流滤波电路得到220V高压直流电，然后经过逆变电路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中使用一块TL494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220
8、V/50KHZ的交流电。在逆变电路II中再使用一块TL494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220V50HZ的交流电。在该电路中都是利用TL494的输出端作为逆变电路工作状态的控制端。2单元电路设计2.1主电路2.1.1功率变换2.1.2高频滤波2.2控制电路2.2.1脉宽调制PWMTL494是一种固定频率脉冲宽度调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛用于单端正激双管式、板桥市以及全桥式开关电源。TL494有SO16和PDIP16两种封装形式，以适应不同场合的要求。（1）主要特征继承了全部的脉冲宽度调制电
9、路。TL494内置现行锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。TL494内置误差放大器。TL494内置5V参考基准电压源。可调整死区时间。TL494内置功率晶体管，可提供500MV的驱动能力。有推或拉两种输出方式。（2）引脚设置及其功能TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡器、死区时间比较器、误差放大器（两个）、PWM比较器以及输出电路等组成，各引脚功能见表1引脚符号功能典型电压1V1(+)误差放大器1误差信号输入端（同相信号端）2.62V1(-)误差放大器1误差信号输入端（反相信号端）2.63VOUTC误差放大器1和2输出信号补偿元件连接段44CONT死区控制信号输入端
10、，所加控制电压可调输出脉冲宽度0.35CT振荡器外接振荡电容连接端，与6脚外接的电阻一起可产生频率f=1.1/Rc的锯齿信号0.4-4v6RT振荡器外接振荡电阻连接端，见5脚说明3.77GND基准电源电源电路接地线端08CA推挽电路输出信号端A,输出电压可达40V,电流为200mA（反相输出）0-15v9EA推挽电路输出信号端A,属同相信号输出端010EB推挽电路输出信号端B,属同相信号输出端011CB推挽电路输出信号端B，输出电压可达40V，电流为200mA(反相输出)与8脚等相位差180度的脉冲波12VccIN工作电源电压输入端2513OUT CON输出方式设定信号输入端。当该脚接基准电压
11、是，输出呈推挽型，输出方波最大占空比为48；当该脚接地是内部二个输出晶体管并联工作输出电流可达400mA，最大占空比为96514+5+5V基准电源输出端，可输出5V的基准参考电压515V2(-)误差放大器2误差信号输入端（反相信号端）5.416V2(+)误差放大器2误差信号输入端（同相信号端）0表1图：TL494内部结构图输入电源电压为740V，可用稳压电源作为输入电源，从而使辅助电源简化。TL494末级的两只三极管在7-40V范围工作时，最大输出电流可达250mA。因此，其负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可以将两路输出并联工作，小功率时可以直接驱动。内部有5V参考电压，使用方便，参考电压
12、短路时，有保护功能控制很方便。内部有一对误差放大器，可作为反馈放大及保护功能，控制方便。在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中有需要方波认为不对称，即需控制方波的占空比。通过对TL494的4脚控制，即可调节占空比，还可以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。TL494的1脚及2脚为误差放大器的输入端。由TL494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脚作为死区时间控制端，加载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0，即
13、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6脚接振荡器的接地电容、电阻。TL494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，起振荡频率如下：Fosc=1/CtRt输出脉冲的宽度是通过电容Ct上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较实现的。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导通，即只有在锯齿波电压大于控制信号时才会被导通。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，其中一条送至死区比较器，另一路送往误
14、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（0-3.3V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供了一个手段：当反馈电压从0.5变为3.5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0.两个误差放大器具有从0-0.3V到Ucc-2.0V的共模输入范围，这可从电源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
15、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版。如果工作于单端状态，且占空比小于50%时，则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。TL494内置一个5V的基准
16、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范围和50mV电压的条件下，该基准电压产生电路能提供5%的精度。2.2.2场效应管MOSFETMOSFET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Vgs0时才有可能有电流即漏极电流产生。即当Vgs0时MOS管才导通。2.2.3三极管本设计选用两种三极管，应为电路中有50KHz和50Hz两个频率，用于50LHz电路的三极管选
17、择为8550型，而用于50Hz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。2.3各部分支路设计2.3.1DC/DC变换电路由DC/AC和整流滤波电路组成。电路结构如图6.VT1和VT2的基极分别接TL494的两个内置晶体管发射机。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，因此T1可选用EI33型高频变压器，变压器的匝数比为12/220=0.05，变压器选择为E型。经过实践调制选择初级匝数为102，次级匝数为
18、190。10/1900.05即满足变压器匝数比约为0.05.电路正常时，TL494的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管VT1、VT2的基极也应此而交替导通，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，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/5
19、0KHz的交流电。当电路工作不正常时，TL494输出控制端为低电平时，TL4949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，。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2200F。R1、R2、R3起限流作用，取值为4.7K。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D1-D4接成电桥形式，称单相桥式整流电路。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
20、容滤波电路知：d=RC（35）T1/2当f=50KHz时，T=1/50KHz，R=116K时，R为后继负载电阻，则C4.310-10F。根据电容标称值选择C2为10F.输出220V高压直流电，供后继逆变电路使用。2.3.2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TL494芯片I的同相输入端（1脚），通过该芯片的误差比较器对其输出进行控制，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，只要输入电压在
21、一瞬间有过大现象，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，TL494芯片I的同相输入端由低电平翻转为高电平，导致TL494芯片I的3脚（反馈输入端）为高电平状态，进而导致TL494芯片内部的PWM比较器为截止状态。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TL494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，使该比较器输出为恒定的高电平，由TL494芯片内部结构可知芯片内置三极管截止，从而停
22、止后继电路的工作。稳压管的稳压值一般为驶入电压的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，这里我们取15V，稳压管的功率为0.15W。R1取为100K，R2、R3均取为4.7K，C1、C2均取为47F。2.3.3输出过电压保护电路电路结构图如图8，当输入电压过高时将导致稳压管DZ1击穿，使TL494芯片II的4脚对地的电压升高，启动TL494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%。后级电路为220V/50Hz输出，其中负载电阻为100K，
23、TL494芯片II的输出脚电压最大为12V，R1为限流电阻，取值为100K，R2为保护电阻可取值为16K，根据电路分压知识，则R2上的电压为：U=R2220（R1+R1）=2201611630.34V即稳压管的电压取值最大为30.34V，这里取30V。2.3.4DC/AC变换电路电路结构图如图9所示，该变换电路为全桥桥式电路。其中TL494芯片的8脚和11脚为内置的两个三极管的集电极，且两个内置三极管是交替导通的，频率为50Hz。图中8脚和11脚分别介入了上下两部分完全堆成的桥式电路，因为两个三极管交替工作，频率为50Hz，所以选用桥式电路，目的在于得到50Hz的交流电。上下两部分电路工作过程
24、完全相同。选其中一部分为说明。这里将其简化成图10。图中VT0为TL494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，VT01截止，VT1的基极没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3的栅极有12V正偏电压，是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，VT01导通，VT1基极有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。因为此时TL494芯片II的另一个内置三极管VT01导通，它的集电极即11脚使逆变电路I有220V电压输出。原理同上。上下两部分
25、以频率50Hz交替导通，从而使电路有220V50Hz的交流电输出。由于TL494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和VT6为场效应管可选择为IRF740型。限流电阻可选择10K、1K、4.6K、3.3K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10F，C3取为0.01F。2.3.5TL494芯片I外围电路电路结构图如图11，包括过热保护电路及振荡电路。15脚为芯片TL494的反相输入端，16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，才能使芯片内的两个三极管正常工
26、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脚电压计算公式为：U=12R2（R1+R2+Rt）这里Rt为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在150-300范围内任选，是当选大些可提高过热保护电路启动的灵敏度。这里取200。R1取36K，R2取39K，则15脚电压为6.22V。该脉宽调制器的振荡频率为50KHz，由Fosc=1/CtRt，图中C2、R3为芯片的振荡元件。C2即为Ct,R3即为Rt。其中Fosc取为50KHz，C2取4700pF，则R3取4.3K。2.3.6TL494芯片II外围电路电路结构图如图12，15脚同样为TL494的反相输入端，16脚为同
27、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的输出电平为低电平，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脚为振荡器的定式电容和定时电阻接入端。因为要使输出频率为50Hz，由公式Fosc=1/CtRt知：当Rt取220K时，Ct9.0910-8F。C1和R2是芯片的振荡元件，即是R2取值为220K，C1取值为0.1F。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47F，电阻R3取值为10K，当输入过压保护电路启动后，使电容C2对R3
28、放电，使4脚保持为低电平，使TL494芯片II的电路维持一段时间，知道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。3故障分析与电路改进、实验及仿真等该逆变电源在接通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，说明逆变电路有问题或者LED灯极性安装反了。4总结与体会两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了
29、我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学
30、习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课程设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。 5附录装配位号装配参数装配位号装配参数C122F/16VC247F /16VC347F/16VC44700pFC52200F/16VC647F/16VC747F/16VC80.1FC90.01FC100.01FC110.22FC
31、1210F/400VC140.01F/1000VC1310F/50VVD1VD41N4148C1510F/50VVD9VD111N4148VD5D8HER306VD131N4148VD12FR107DZ115V/0.5WVD14FR107IC1、IC2TL494CNDZ230V/0.5WVT1、VT38550LED绿色3VT5、VT8KSP44VT2、VT4IRF3205VT9、VT10IRF740VT6、VT7IRF740R239KR136KR4270R3100KR64.7KR5100KR8R114.7KR74.3KR1310KR12470KR1510KR14220KR17、R181KR16
32、4.7KR204.7KR193.3KR2210KR211KR251KR23、R244.7KR273.3KR2616K装配位号装配参数装配位号装配参数DCIN12V/DCX AC弹片插孔Rt150T1EI33R28、R29100K-6参考文献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998. 康华光,陈大钦电子技术基础M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10
