小功率单相逆变电源毕业设计 - 图文

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德州职业技术学院 毕业设计（论文）

（2012届毕业生）

题 目 小功率单相逆变电源的设计制作 指导教师 张 洪 宝 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 张 艳 霞 2011年 9月 19 日至 2011年 11月 18日共 9 周

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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

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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, 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 design of the circuit. The inverter main components: DC / DC circuit, input over-voltageprotection 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 thermal 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

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目录

第一章 概述 ........................................................................................................................................... 1

1.1该逆变电源的基本构成和原理 ................................................................................................ 1 1.2逆变电源的技术性能指标及主要特点 .................................................................................. 2

第二章 逆变电源的主要元器件及其特性 .............................................................................. 3

2.1 KA7500B电流模式PWM控制器 ................................................................................................ 3 2.2场效应管 ......................................................................................................................................... 6 2.3三极管 ............................................................................................................................................. 7 2.4 LM324N功能及特点 .................................................................................................................... 7

第三章 各部分支路电路设计及其参数计算 ......................................................................... 9

3.1 DC/DC变换电路（附工作指示灯） ....................................................................................... 9 3.2输入过压保护电路 .................................................................................................................... 10 3.3输出过压保护电路 .................................................................................................................... 11 3.4 DC/AC变换电路 ......................................................................................................................... 11 3.5 KA7500B芯片?外围电路........................................................................................................ 13 3.6 KA7500B芯片??外围电路 ...................................................................................................... 14

第四章 调试及整机原理图 ............................................................................................................ 16

4.1调试 ................................................................................................................................................ 16 4.2该逆变电源的整机电路原理图(附录A) ............................................................................. 16 4.3该电路的元件参数表(附录B) ............................................................................................... 16 附录A整机原理图 .................................................................................................................................... 17 附录B元件参数表 .................................................................................................................................... 18 参考文献 ...................................................................................................................................................... 20 致谢 ................................................................................................................................................................ 21

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第一章 概述

1.1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12V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。

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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Vgs>0时才有可能有电流即漏极电流产生。即当Vgs?0时MOS管才导通。

图5 MOSFET代表符号图

2.3 三极管

本设计选用了两种三极管，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。

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。

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LM324N的内部电路图

LM324N的管脚排列图

LM324N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(3—32V)； 双电源(±1.5—±16V) ★ 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)

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第三章 各部分支路电路设计及其参数计算

3.1 DC/DC变换电路（附工作指示灯）

（1）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12?220?0?05，变压器选择为E型，可自制。经过实践调制

10?190?0?05即满足变压器匝数比约为0.05。选择初级匝数为10×2，次级匝数为190。

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，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2200μF。R1、R2、R3起限流作用，取值为4.7KΩ。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：

?d?RC??3~5?T12

（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。

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图6 直流变换电路图

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，KA7500B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

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为100KΩ，R2、R3均取为4.7KΩ，C1、C2均取为47μF。

图7 输入过压电路保护图

3.3 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100KΩ，KA7500B芯片II的输出脚电压最大为12V，R1为限流电阻可取值为100KΩ，R2为保护电阻可取为16KΩ，根据电路分压知识[8]，则R2上的电压为：

U?R2?220??R1?R1??220?16?116?30.34V (3)

即稳压管的电压取值最大为30.34V，这里稳压管取值为30V。

图8 输出过压电路保护图

3.4 DC/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

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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10KΩ、1KΩ、4.7KΩ、3.3KΩ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10μF，C3取为0.01μF。

图9 DC/AC转换电路图

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图10 简化图

3.5 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：

U?12?R2??R1?R2?Rt?

(4)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，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36KΩ，R2取39KΩ，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

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4.3KΩ。

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图11 KA7500B芯片I外围电路

3.6 KA7500B芯片??外围电路

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Fosc?1??CtRt?知：当Rt取为220KΩ时， Ct?9.09?10?8μF，可取为0.1μF。C1和R2是芯片的振荡元件，即是R2取值为220KΩ，C1取值为0.1μF。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47μF，电阻R3取值为10KΩ，当输入过压保护电路启动后，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。

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图12 KA7500B芯片II外围电路

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第四章 调试及整机原理图

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。

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)

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附录A整机原理图

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附录B元件参数表

表2 元件参数表

装配位号 C1

装配参数 22μF/16V

装配位号 C2

装配参数 47μF/16V

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C3 C5 C7 C9 C11 C14 VD1~VD4 VD9~VD11 VD13 DZ1 IC1、IC2 VT1、VT3 VT5、VT8 VT9、VT10

R2 R4 R6 R8~R11 R13 R15 R17、R18 R20 R22 R25

R27

47μF/16V 2200μF/16V 47μF /16V 0.01μF 0.22μF 0.01μF/1000V

1N4148 1N4148 1N4148 15V/0.5W KA7500BCN

8550 KSP44 IRF740 39K 270 4.7K 4.7K 10K 10K 1K 4.7K 10K 1K

3.3K

C4 C6 C8 C10 C12 C13 C15 VD5~VD8 VD12 VD14 DZ2 LED VT2、VT4 VT6、VT7

R1 R3 R5 R7 R12 R14 R16 R19 R21 R23、R24 R26

4700pF 47μF/16V 0.1μF 0.01μF 10μF/400V 10μF/50V 10μF/50V HER306 FR107 FR107 30V/0.5W 绿色Ф3 IRF3205 IRF740 36K 100K 100K 4.3K 470K 220K 4.7K 3.3K 1K 4.7K 16K

续表2

装配位号 DCIN Rt

装配参数 12V/DC 150

装配位号 X AC T1

装配参数 弹片插孔 EI33

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R28、R29 100K -- --

参考文献

[1] 《新型开关电源设计与应用》 科学出版社 [2] 《电力电子技术与MATLAB仿真》 周渊深主编 中国电力出版社 [3] 《现代逆变技术及其应用》 科学出版社 [4] 《电子变压器手册》 辽宁科学技术出版社

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致谢

回首大学三年，感慨万千！

值此毕业论文完成之际，谨向给予我指导的张洪宝老师表示诚挚的感谢！从论文的开题，到系统的分析、设计，以至论文的成稿，张洪宝老师给了我诸多的帮助和悉心的指导，其严谨的作风和认真的学习态度感染了我，使我认识到，学习不仅要注重方法，更要有严谨、主动的态度，这将对我以后的工作学习产生深远的影响！再次向我的指导老师张洪宝老师致以最诚挚的谢意！

衷心的感谢所有帮助我的老师和同学！ 祝愿母校明天更辉煌！

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