电子设计大赛 单相正弦逆变并网电源设计

单相正弦逆变并网电源设计

摘要：本单相正弦波逆变电源的设计，以25V±5v直流电源作为输入，输出为220V、

50Hz的标准正弦波交流电。该电源采用激推挽逆变变换，采用电源芯片tl494进行激推挽逆变，采用TLP5615完成电源功率的调制，后级输出采用采样电阻进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性；在保护上，具有输出过载、短路保护、过流保护、等多重保护功能电路，增强了该电源的可靠性和安全性；输出交流电压通过AD637的真有效值转换后，再由STC89C52单片机的控制进行模数转换，最终将电压值显示到液晶12864上，形成了良好的人机界面。该电源很好的完成了各项指标。

关键字：DC-AC变换器 工频隔离变器 过流保护 单相正弦波逆变

Abstract: The design of the single-phase sine wave inverter to 25V ± 5v DC power supply as an input, the output is 220V, 50Hz standard AC sine wave. Excited push-pull inverter to transform the power, power chip tl494 excited push-pull inverter, \the power supply power level after the output sampling resistor is sampled feedback, the formation of a double feedback loops, increasing the stability of the power ; in the protection, output overload, short circuit protection, overcurrent protection, and other multiple protection features circuit, enhanced reliability and security of the power supply; output AC voltage AD637 true RMS conversion, then by STC89C52 microcontroller control analog to digital conversion, will eventually show a voltage to the liquid crystal 12864, the formation of a good man-machine interface. The power supply completed various indicators.Keywords: DC-AC converter working frequency isolation variable device overcurrent protection single-phase sine wave inverter

1系统方案

系统框图见图1-1-1

PCtlc561524±5V直流电源DC-AC工频变压器并网开关AC220

图1-1-1

2 方案设计与论证 2.1芯片选择

方案一：SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，电路如图2-1-1

电路如图2-1-1 方案二：采用TI电源芯片tl494， 目前所有的双端输出驱动IC中，可以说美国德克萨斯仪器公司开发的TL494功能最完善、驱动能力最强，其两路时序不同的输出总电流为SG3525的两 倍，达到400mA。仅此一点，使输出功率千瓦级及以上的开关电源、DC/DC变换器、逆变器，几乎无一例外地采用TL494。虽然TL494设计用于驱 动双极型开关管，然而目前绝大部分采用MOSFET开关管的设备，利用外设灌流电路，也广泛采用TL494。电路如图2-1-2

电路如图2-1-2

综合比较，采用方案二作为本系统方案。

2.2逆变电路选择

方案一：方波50HZ逆变

逆变器的最简单的实现方式是方波逆变器，这种电路的最大特点就是简单、容易实现。其最典型的应用如小功率（1kW以下的）后备式不间断供电电源和简易逆变器。对于整流器负载，如电脑、显示器以及其它带有开关电源的各种电子设备，对电源电压波形要求非常宽松，方波逆变器是可以胜任的。随着对逆变电源性能的要求的不断提高，方波逆变电源在大多数场合的应用中被淘汰，仅仅在非常低级的应用中才得以见到。

方波逆变器的原理框图如图19-1。

图19-1 方波逆变器的原理框图

方案二：采用50Hz正弦波逆变

经过50Hz变压器升压与绝缘，得到所需要的220V/50Hz的正弦交流电。从图中可以看到，逆变器的主电路与方波逆变器完全一样，所不同的是开关管的驱动信号由50Hz方波变为50Hz的十倍甚至数十倍的正弦化脉冲宽度调制脉冲串，如果将这个脉冲串“平滑”后，可以获得“正弦波”连续变化的波形。这种方法的最大优点是整个功率变换过程中仅仅有一次逆变过程，因此，电路简单效率也可以很高。逆变器采用正弦化脉冲宽度调制（SPWM），500~2000Hz的调制频率不仅大大地增加了变压器的“铁耗”，而且由于开关频率明显高于50Hz的应开关的作用，使变压器的漏感中的储能以每秒500~2000次的交换而产生可观的开关损耗，致使开关管急剧发热，因此，这是一种不可取的解决方案。此方案不可取的第二个原因是50Hz变压器和滤波器过于笨重。

图19-2 50Hz正弦波逆变原理框图

电路如图19-2。 方案三：多重50Hz矩形波逆变组合的解决方案

改造50Hz方波逆变器输出波形的另一个方法是采用多重化技术，即将多个方波逆变器的输出电压错开一定的相位后叠加，可以得到近似正弦波电压，以满足要求，由于电路相对负载，目前这项技术在中低功率的逆变器中已不再应用，而仅仅在高功率的逆变其中还有应用。多重50Hz矩形波逆变组合的原理框图如图19-3。

图19-3 多重50Hz矩形波逆变组合的原理框图

综上所述，最后决定选择方案三为逆变电路。

3 理论分析与电路说明

3.1 逆变电路分析

集成电路内部用于控制PWM比较器的同相输入端，当A1、 A2任一输出电压升高时，控制PWM比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引出端外，以便与第2、15脚间接入RC频率校正电路和直接负反馈电路，一则 稳定误差放大器的增益，二则防止其高频自激。另外，第3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。第4脚为死区时间控制端。当外加1V以下 的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果电压超过1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲。第5脚为锯齿波振荡器外接定时电容端，第6脚为锯齿波振荡器 外接定时电阻端，一般用于驱动双极性三极管时需限制振荡频率小于40kHz。第7脚为接地端。第8、11脚为两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。 当第8、11脚接Vcc，第9、10脚接入发射极负载电阻到地时，两路为正极***腾柱式输出，用以驱动各种推挽开关电路。当第8、11脚接地时，两路为 同相位驱动脉冲输出。第8、11脚和9、10脚可直接并联，双端输出时最大驱动电流为2×200mA，并联运用时最大驱动电流为400mA。第14脚为内 部基准电压精密稳压电路端。输出5V±0.25V的基准电压，最大负载电流为10mA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。TL494的极限参 数：最高瞬间工作电压（12脚）42V，最大输出电流250mA，最高误差输入电压Vcc+0.3V，测试/环境温度≤45℃，最大允许功耗1W，最高结 温150℃，使用温度范围0～70℃，保存温度-65～+150℃。电路见3-1-1

电路3-1-1

3.2过流过压保护分析

限流保护功能的实现.2-1-1图中基准电压通过R4和R6分压,使15脚的电位在(5V*R6)/R4=0.4v ,但另一个误差放大器因为16脚接地了.这路误差放大器在核定的电流工作时不起作用.只有当上图的取样电阻R10电流到20A时,R10的左端电位相对地电位变成20A*0.02欧姆=-0.4V.这时TL494的15脚电位就升高到和16脚电位相同(同时变0伏)误差放大器开始工作,如果R10上的电流继续增加就通过PWM减少占空比直到完全关闭输出,正常工作的条件必须维持15脚的电位大于0伏.

这样两个误差放大器分别完成了过流和稳压功能,保证了电路的安全稳定状态.

3.3总电路图

总电路图见附件2

4.软件设计

4.1软件设计平台及开发工具

本设计采用的时钟晶振为10MHZ。PIC16F877A采用哈佛结构设计，具有开发容易，周期短，高速，低功耗，且功能强等特点，给阅读和使用都带来了极大的方便。

4.2实现方法

软件部分的主要功能包括数码管的显示扫描、按键控制和产生按正弦规律变化的矩形脉冲，最大功率、频率跟踪，欠压、过流保护。将取样电压、电流送入单片机进行控制，以保护电路。系统采用面积等效法生成正弦脉宽调制波，设输入正弦波幅值为Ud，调制比为m，则第n个控制周期正弦波输出电压的平均值为： U?mUdsin2?(n?0.5)

Nn=0,1,2,……,(N-1)根据等面积原则，控制信号周期也为TC，且脉冲幅值为Ud，则占空比为：

Dn?msin2?(n?0.5) n=0,1,2,……,(N-1)

N4.3代码

代码详见附录1

5.系统测试

5.1 测试使用的仪器

测试仪器与使用设备如表4.1.1所示。

表4.1.1 测试仪器与设备

序号 1 2 3 名称、型号、规格 TDS2001c数字存储示波器 UT804A数字台式万用表a SP1641B型函数/任意波信号发生器 数量 1 1 1 备注 泰克科技（中国）有限公司 ？ ？

4.2 指标测试和测试结果

4.2.1 输出正弦波的测试

将示波器表笔接到输出端，可以观察到标准的50Hz的正弦波波形，无明显失真。其波

形图如4.2.1所示。

图4.2.1 50Hz正弦波波形图

4.2.2输出功率及效率的测试

（1）定义：即为电源把其输入有功功率转换为有效输出功率的能力。 （2）测试方法：测试方框图如图4.2.2所示。

A供电电源AV被测电源V最大负载

图4.2.2 效率测试方框图

① 先如图4.2.1布置好测试电路。 ② 各路输出电压、电流的测量应同时进行。

③ 开启所有设备，记录输入功率数值及各输出电压、电流值。 ④ 计算出输出功率值。Po?UoIo?UoIo??。

''⑤ 效率??Po?100%，Pi为输入功率。 Pi（3）测试结果与分析：

表4.2.1 效率测试结果

输入 输出 由上表可计算得??电压（V） 24.14 220.2 电流(A) 3.12 0.328 功率(W) 75.3168 72.36 Pout*100%?93% Pin4.2.3 过流保护的测试

（1） 定义：当输出电流大于设定保护值时，系统自动关闭输出，形成过流保护。当输出 电流低于设定保护值时，系统自行恢复正常工作状态。

（2）测试方法：测试方法如图4.2.3所示。在输出端接入3个串联的10Ω的电阻作为负载。在系统正常工作之后，短路其中一个或两个电阻来模拟过流状况的发生。观察系统是否进行过流保护。

负载被测电源短路导线短路导线短路导线

图4.2.3 过流保护测试框图

（3）测试结果与分析：开机后蜂鸣器鸣叫一声，系统进入逆变工作状态，此时输出电流真有效值为1.2A，系统工作正常。短路其中的一个10欧姆电阻，此时输出电流真有效值为1.8A，系统仍正常工作。再短路负载的任意两个电阻，系统检测到过流信号后，在1s左右后开始进入过流保护状态取消那两个电阻的短路状态后，系统又恢复逆变工作状态。

4.3 结果分析

经过测试后，题目的基本要求都已完成，各项指标都完成的比较好。在输出功率为72W

的情况下，效率达到了93%。同时该电源还具有短路保护，空载保护，过流保护的功能。在所测试的项目中，电流显示功能没有成功，原因是AD637部分输出与输入不成线性比例关系，而电流互感器输出是正确的。而电压显示部分，因为AD637的输入信号较大（V级），所以输入输出基本成线性比例关系。在重载输出的时候，输出波形失真较严重，原因是前级DC-DC的输出功率不足，又因为在效率测试的时候，效率较高，功率器件均无发热的现象，所以判断是变压器的匝比低了。只要提高变压器的匝比就可以解决。

5 结论

本设计利用tl494电源芯片驱动MOS进行激是推挽逆变，实现对输出的控制，得到输出功率大小可调的正弦交流电，且具有保护电路功能，效率高的特点，基本完成了题目要求的各项功能。

6参考文献

[1] 李荣正，刘启中，陈学军编著．PIC单片机原理及应用（第2版）［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，2005，10

[2]清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编：《模拟电子技术基础》(第三版)[M]北京:高等教育出版社，2000 [3]张华林、周小方编著：《电子设计竞赛实训教程》[M]北京：北京：北京航天航空大学出版社，2007

7.附录

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8gfr.html