小功率单相逆变电源的设计制作毕业设计.docx
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小功率单相逆变电源的设计制作毕业设计
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
系部电子与新能源工程技术系
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
Abstract
Themainapplicationofpowerelectroniccircuitdesigntechnologyandswitchingpowersupplycircuittechnologyknowledge.Involvesanalogintegratedcircuits,powersupplyintegratedcircuits,DCcircuit,theswitchingregulatorcircuittheory,makefulluseofthechipKA7500BfixedfrequencypulsewidthmodulationcircuitandFET(N-channelenhancementmodeMOSFET)switchingspeed,nosecondbreakdown,thermalstability,goodbenefitsandthemodulardesignofthecircuit.Theinvertermaincomponents:
DC/DCcircuit,input
over-voltageprotectioncircuit,outputover-voltageprotectioncircuit,overheatprotectioncircuit,DC/ACconversioncircuit,oscillationcircuit,full-bridgecircuit.Intheworkofcontinuousoutputpowerof150W,withanormallightwork,outputovervoltageprotection,inputover-voltageprotectionandthermaloverloadprotection.Thepoweroftherelativelylowmanufacturingcost,practical,andavarietyofportableelectronicdevicescanbeusedasacommonpowersupply.
Keywords:
thermalprotection;over-voltageprotection;integratedcircuits;oscillationfrequency;pulsewidthmodulation
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
2.1KA7500B电流模式PWM控制器3
2.2场效应管6
2.3三极管7
2.4LM324N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
3.1DC/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
3.4DC/AC变换电路11
3.5KA7500B芯片І外围电路13
3.6KA7500B芯片ІІ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
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50HzPWM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。
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。
1.2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)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。
第二章逆变电源的主要元器件及其特性
2.1KA7500B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
KA7500输出电流:
I0=200mA
工作频率:
f=1~300kHz
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(KΩ)正向
反向
1
电压取样放大器同相输入端
4.8
4.5
7
2
电压取样放大器同相输入端
4.6
8
8.8
3
反馈控制端
2.2
9.2
∞
4
脉宽调制输出控制端(死区控制端)
0
9.5
19
5
振荡1
0.6
9
12.6
6
振荡2
0
9
21
7
地
0
0
0
8
脉宽调制输出1
2
7.5
21
9
地
0
0
0
10
地
0
0
0
11
脉宽调制输出12
2
7.5
21
12
电源输入端
5
6.2
17
13
输出方式控制端
5
4
4
14
电压取样比较放大器负端
5
4
4
15
电流取样放大器反相输入端
5
4
4
16
电流取样放大器同相输入端
2
7.5
8
(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4KA7500B内部结构图
·输入电源电压为7~40V,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7~40V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0.5V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0℃~70℃温度范围和50mV电压的温漂条件下,该基准电压产生电路能提供±5%的精度。
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5MOSFET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。
2.4LM324N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)
第三章各部分支路电路设计及其参数计算
3.1DC/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
,变压器选择为E型,可自制。
经过实践调制选择初级匝数为10×2,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,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2200
。
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:
(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
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取为100
,R2、R3均取为4.7
,C1、C2均取为47
。
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
3.4DC/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9DC/AC转换电路图
图10简化图
3.5KA7500B芯片І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:
(4)这里
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11KA7500B芯片I外围电路
3.6KA7500B芯片ІІ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
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
,当输入过压保护
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