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车载逆变器的设计与实现
摘要
随着经济水平的提高,汽车正逐渐成为人们的日常交通工具.然而人们随身携带的电器例如手提电脑却不能直接使用汽车上的电源。
因此开发一款经济实用的车载逆变器是很有必要的。
本文简要介绍了现代逆变技术的发展情况,然后描述了车载逆变器的功能实现和参数设计并提供了一种简单易行的大功率稳压逆变电路。
本文主要对车载逆变器进行研究,将逆变器分为逆变电路和控制系统.逆变电路采用单相全桥逆变电路,使用MOSFET管完成逆变过程.控制系统采用TL494来产生逆变过程中所需的SPWM(正弦脉冲宽度调制)波形。
经试验和仿真证明,该车载逆变器技术性能优良,质量可靠,有较高应用价值。
关键词:
车载逆变器TL494MOSFETSPWM
Abstract
Withthedevelopmentofeconomic,carsarebecomingpeople'sdailytransportation.However,appliancespeoplecarriedsuchaslaptopcomputerscan'tusethepowersourceofcardirectly.Thereforethedevelopmentofaneconomicalandpracticalcarinverterisnecessary.
Thispaperdescribesthedevelopmentofmonderninvertertechnologybriefly,andthendescribethefunctionofcarinverterparameterdesignandimplementationandprovidesasimplehigh-powerinvertercircuit.
Thispaperstudiescarinverter,theinverterisdividedintoinvertercircuitandthecontrolsystem。
Theinverteradoptsinglephasefullbridgeinvertercircuit,invertercompletiontheprocesswithMOSFET.ThecontrolsystemusesTL494togenerateSPWM(sinusoidalpulsewidthmodulation)waveformrequiredbyinverterprocess。
Thetestandsimulationshowthatthecarinvertertechnologywithexcellentperformance,reliablequality,ahighervalue.
Keywords:
carinverterTL494MOSFETSPWM
第1章绪论
1.1现代逆变技术概述
1.1.1现代逆变技术的概念
直流-交流(DC—AC)变换电路,又称逆变器(inverter),是能够将直流电能变换为交流电能的装置。
随着各行各业对控制技术的发展和操作性能要求的提高,许多行业的用电设备都不是直接使用通用的电网电源提供的交流电作为能源,而是通过各种形式对其进行变换,从而得到各取所需的电能形式,逆变电路是其主要组成部分。
现代逆变技术是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体交流技术、脉冲宽度调制技术(SPWM)、磁性材料等学科上的一门实用技术。
现代逆变技术包括三部分内容:
控制技术、半导体功率集成器件及其应用、功率变换技术。
1.1.2现代逆变技术的分类[1]
逆变技术的分类方式很多,主要分类方式叙述如下。
1.按逆变器输出交流的频率分为:
工频(50-60Hz)逆变、中频(400-几十kHz)逆变个高频(几十kHz到几十MHz)逆变;
2.按逆变器输出交流能量的去向分为:
无源逆变和有源逆变;
3.按逆变器功率的流动方向分为:
单向逆变和双向逆变;
4.按逆变器输出电压的波形分为:
正弦波逆变和非正弦波逆变;
5.按逆变器输出电压的电平分为:
二电平逆变和多电平逆变;
6.按逆变器输出交流的相数分为:
单相逆变、三相逆变和多相逆变;
7.按逆变器输入与输出的电气隔离分为:
非隔离性逆变、低频连逆变和高频连逆变;
8.按逆变器输入直流电源的性质分为:
电压源逆变和电流源逆变:
9.按逆变器的电路结构分为:
单端式逆变、推挽式逆变、半桥式逆变和全桥式逆变;
10.按逆变器的功率开关管分为:
大功率晶体管(GTO)逆变、晶闸管(SCR)逆变、可关断晶闸管(GTR)逆变.功率场效应管(MOSFET)逆变和绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变。
11.按逆变器的功率开关管工作分式分为:
硬开关逆变、谐振式逆变、和软开关逆变;
12.按逆变器的控制方式分为:
脉冲宽度调制(PWM)逆变、脉频调制(PFM)逆变、和数字逆变。
1.1.3车载逆变器简介[2]
本文对现代逆变技术进行了概述,根据逆变过程的技术指标,设计车载逆变器。
车载逆变器(PowerInverter)是一种能够将DC12V直流电转换为和市电相同的AC220V交流电,供一般电器使用,是一种方便的车用电源转换器。
车载电源逆变器在国外市场受到普遍欢迎.在国外因汽车的普及率较高,外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。
中国进入WTO后,国内市场私人交通工具越来越多,因此,车载逆变器电源作为在移动中使用的直流变交流的转换器,会给你的生活带来很多的方便,是一种常备的车用汽车电子装具用品.通过点烟器输出的车载逆变器可以是20W、40W、80W、120W直到150W功率规格的。
再大一些功率逆变电源要通过连接线接到电瓶上。
把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器象在家里使用一样方便。
1.2本文主要研究内容
本文对现代逆变技术进行了概述。
根据车载逆变器技术指标,完成车载逆变器的设计。
为了缩短整个逆变器的开发过程时间,采用了美国德克萨斯仪器公司开发的数字PWM产生芯片TL494来完成系统的脉冲触发环节。
由于车载电源中逆变器作为二次电源使用,其输入脉动直流电流污染了直流电源,这必然要影响到电器的使用,为了使输入电流平稳和谐波降低到允许值,必须设置输入滤波器.逆变器的输出电压波形,除了含基波分量之外,还有各次谐波分量。
这将导致总谐波畸变度(THD)超出允许范围,为了抑制谐波,并且使输出波形基本达到正弦,必须设置输出滤波器。
在本文中,主要对逆变过程进行详细阐述。
1.3逆变电源技术性能指标及主要特点[3]
1.输入:
12V直流(汽车蓄电池)
2.输出:
220V交流
3.功率:
400W
4.具有输入过压保护和输出过压保护,稳定性好
5.有过热保护
6.可作为多种电器的通用电源,通用性好。
第2章系统主要器件
2.1.1主要特性[4]
1.集成了全部的脉宽调制电路.
2.片内置线性锯齿波振荡器,外置振荡元件仅两个(一个电阻和一个电容)。
3.内置误差放大器.
4.内止5V参考基准电压源。
5.可调整死区时间.
6.内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力.
7.推或拉两种输出方式。
2.1.2工作原理简述
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路,内置了线性锯齿波振荡器,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:
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来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门。
当双稳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期间才会被选通。
当控制信号增大,输出脉冲的宽度将减小.控制信号由集成电路外部输入,一路送至死区时间比较器,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,最大输出占空比为96%,而输出端接参考电平时,占空比为48%。
当把死区时间控制输入端接上固定的电压(范围在0—3。
3V之间)即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段:
当反馈电压从0.5V变化到3。
5时,出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。
两个误差放大器具有从—0.3V到(Vcc-2.0)的共模输入范围,这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。
误差放大器的输出端常处于高电平,它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或"运算,正是这种电路结构,放大器只需最小的输出即可支配控制回路.
图2。
1。
1TL494内部原理图
当比较器CT放电,一个正脉冲出现在死区比较器的输出端,受脉冲约束的双稳触发器进行计时,同时停止输出管Q1和Q2工作。
若输出控制端连接到参考电压源,那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管,输出频率等于脉冲振荡器的一半.工作于单端状态,且最大占空比小于50%时,输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。
输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下,当需要更高的驱动电流输出,亦可将Q1和Q2并联使用,这时,需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。
这种状态下,输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。
图2.1。
2电路时序图
TL494内置一个5。
0V的基准电压,使用外置偏执电路时,可提供高达10mA的负载电流,在典型的0—70℃温度范围50mA温漂条件下,该基准电压源能提供±5%的精度。
2.1.3管脚配置
如图3。
1。
1所示,1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端;3脚是相位校正和增益控制;4脚为死区时间控制端,其上加0~3.3V电压时可使截止时间从2%线怀变化到100%;5、6脚分别用于外接振荡电阻电阻
电阻,物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻.电阻小的物质称为电导体,简称导体。
电阻大的物质称为电绝缘体,简称绝缘体。
[全文]和振荡电容电容 电容(或电容量,Capacitance)指的是在给定电位差下的电荷储藏量;记为C,国际单位是法拉(F)。
一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上;造成电荷的累积储存,最常见的例子就是两片平行金属板。
也是电容器的俗称;7脚为接地端;8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管三极管 三极管是一种半导体电子器件,有3个引脚,晶体三极管分别为集电极(c),基极(b),发射极(e),电子三极管分别为屏极、栅极、阴极.能够把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也称双极型晶体管,晶体三极管。
[全文]集电极和发射极;12脚为电源电源电源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所[全文]供电端;13脚为输出控制端,该脚接地时为并联单端输出方式,接14脚时为推挽输出方式;14脚为5V基准电压输出端,最大输出电流10mA;15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端.个人收集整理,勿做商业用途
引脚
符号
功能
典型电压(V)
1
V1(+)
误差放大器1信号输入端(同相输入端)
2.6
2
V1(-)
误差放大器1信号输入端(反相输入端)
2.6
3
VOUTC
误差放大器1和2输出信号补偿原件连接端
4
4
CONT
死区控制信号输入端,所加控制电压可调输出脉冲宽度
0.3
5
CT
振荡器外接震荡电容连接端,与6脚外接的电阻一起可产生频率f=1.1/RC的锯齿波信号
幅度为0。
4~4的锯齿波
6
RT
振荡器外接震荡电阻连接端,见5脚说明
3.7
7
GND
基准电源电路接地端
0
8
CA
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)
0~15V的脉宽调制波
9
EA
推挽电路输出信号端A,属同相信号输出端
0
10
EB
推挽电路输出信号端B,属同相信号输出端
0
11
CB
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脚等幅相位差180◦的脉冲波
12
VccIN
工作电源输入端
25
13
OUTCON
输出方式设定信号输出端。
当该脚接基准电压是,输出呈推挽型,输出方波最大占空比为48%;当该脚接地时,内部两个输出晶体管呈并联工作,输出电流可达400mA,最大占空比为96%
5
14
+5
+5V基准电源输出端,可输出5V的基准参考电压
5
15
V2(—)
误差放大器2误差信号输入端(反相信号端)
5。
4
16
V2(+)
误差放大器2误差信号输入端(同相信号端)
0
表2。
1.1TL494集成电路引脚功能和数据[5]
名称
代号
极限值
单位
电源电压
VCC
42
V
集电极输出电压
VC1VC2
42
V
集电极输出电流
IC1,IC2
500
mA
放大器输入电压范围
VIR
—0。
3到+42
V
功耗
PD
1000
mW
热阻
RθJA
80
℃/W
工作结温
TJ
125
℃
存贮环境温度
Tstg
—55到+125
℃
工作环境
TL494C
TL494I
TA
0到+70
-25到+85
℃
额定环境温度
TA
45
℃
表2。
1.2TL494的极限参数
2.1.4回路控制工作原理[6]
回路控制器的方框图如图2。
1。
3所示。
被控制量(如压力、流量、温度等)通过传感器交换为0~5V的电信号,作为闭环回路的反馈信号,通过有源简单二阶低通滤波电路进行平滑、去除杂波干扰后送给TL494的误差放大器I的IN+同相输入端。
设定输入信号是由TL494的5V基准电压源经一精密多圈电位器分压,由电位器动端通过有源简单二阶低通滤波电路接入TL494的误差放大器I的IN—反相输入端。
反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器I进行比较放大,进而控制脉冲宽度,这个脉冲空度变化的输出又经过整流滤波电路及由集成运算放大器构成的隔离放大电路进行平滑和放大处理,输出一个与脉冲宽度成正比的、变化范围为0~10V的直流电压。
这个电压就是所需要的输出控制电压,用它去控制执行电路,及时调整被控制量,使被控制量始终与设定值保持一致,形成闭环单回路控制。
图2。
1.3回路控制器方框图
2.2场效应管(MOSFET)
2.2.1功率场效应管结构
功率场效应管或功率MOSFET,是从用于信号处理的小功率MOSFET晶体管基础上发展起来的,是基于单极性工作原理的电力电子器件。
比起小功率的MOSFET原型或者说是器件元胞尺寸要比小功率双极型电力电子器件小得多,处理功率也要低得多.为了能够处理较大的功率,功率MOSFET需要比电力晶体管更多的元胞,因此功率MOSFET的工艺技术远比电力晶体管复杂,制造成本也更高。
为了提高器件的工作电压和降低导通损耗,器件的结构采用了类似电力晶体管的垂直结构。
图2.2。
1是N沟道功率MOSFET(简称VMOSFET)结构示意
图2.2。
1N沟道功率MOSFET结构示意图2.2.2MOSFET代表符号图
功率MOSFET是由两个背靠背的PN结构成的,其中间的半导体区域不像电力晶体管那样注入少数载电流,而是通过对其施加垂直方向的电场来改变导电性质来连通两个原本孤立的半导体导电区域.
2.2.2功率场效应管工作原理
要使增强型N沟道MOSFET工作,要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID。
改变VGS的电压可控制工作电流ID。
若先不接VGS(即VGS=0),在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之间的PN结处于反向,因此漏源之间不能导电。
如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。
此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板,而氧化物绝缘层作为电容器的介质。
当加上VGS时,在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷,而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷.这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反,所以称为“反型层”,这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。
当VGS电压太低时,感应出来的负电荷较少,它将被P型衬底中的空穴中和,因此在这种情况时,漏源之间仍然无电流ID.当VGS增加到一定值时,其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道,这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压),用符号VT表示(一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT)。
当VGS继续增大,负电荷增加,导电沟道扩大,电阻降低,ID也随之增加,并且呈较好线性关系。
因此在一定范围内可以认为,改变VGS来控制漏源之间的电阻,达到控制ID的作用。
由于这种结构在VGS=0时,ID=0,称这种MOSFET为增强型.另一类MOSFET,在VGS=0时也有一定的ID(称为IDSS),这种MOSFET称为耗尽型。
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2.2.3MOSFET的发展状况
MOSFET在1960年由贝尔实验室的D.Kahng和MartinAtalla首次实作成功,这种元件的操作原理和1947年萧克莱(WilliamShockley)等人发明的双载子晶体管(BipolarJunctionTransistor,BJT)截然不同,且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势,在大型积体电路(Large-ScaleIntegratedCircuits,LSI)或是超大型积体电路(VeryLarge-ScaleIntegratedCircuits,VLSI)的领域里,重要性远超过BJT。
从MOSFET的命名会使人产生错误的印象,因为MOSFET里代表“metal"的第一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的.早期MOSFET的栅极(gateelectrode)使用金属作为其材料,但随著半导体技术的进步,现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。
MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管"(Insulated—GateFieldEffectTransistor,IGFET),而IGFET的栅极绝缘层有可能是其他物质而非MOSFET使用的氧化层.有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管元件时比较喜欢用IGFET,但是这些IGFET多半指的是MOSFET。
MOSFET里的氧化层位于其通道上方,依照其操作电压的不同,这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃不等,通常材料是二氧化硅(SiO2),不过有些新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅(SiON)做为氧化层之用.今日半导体元件的材料通常以硅为首选,但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程,当中最著名的例如IBM使用硅与锗的混合物所发展的硅锗制程(SiGeprocess).而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料,如砷化镓(GaAs),因为无法在表面长出品质够好的氧化层,所以无法用来制造MOSFET元件。
当一个够大的电位差施于MOSFET的栅极与源极之间时,电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷,而这时所谓的“反型层”就会形成。
通道的极性与其漏极与源极相同,假设漏极和源极是n—type,那么通道也会是n—type。
通道形成后,MOSFET即可让电流通过,而依据施于栅极的电压值不同,可由MOSFET的通道流过的电流大小亦会受其控制而改变。
有一段时间,MOSFET并非模拟电路设计工程师的首选,因为模拟电路设计重视的性能参数,如晶体管的转导或是电流的驱动力上,MOSFET不如BJT来得适合模拟电路的需求。
但是随著MOSFET技术的不断演进,今日的CMOS技术也已经可以符合很多模拟电路的规格需求。
再加上MOSFET因为结构的关系,没有BJT的一些致命缺点,如热破坏。
另外,MOSFET在线性区的压控电阻特性亦可在积体电路里用来取代传统的多晶硅电阻,或是MOS电容本身可以用来取代常用的多晶硅—绝缘体—多晶硅电容,甚至在适当的电路控制下可以表现出电感的特性,这些好处都是BJT很难提供的。
也就是说,MOSFET除了扮演原本晶体管的角色外,也可以用来作为模拟电路中大量使用的被动元件。
这样的优点让采用MOSFET实现模拟电路不但可以满足规格上的需求,还可以有效缩小芯片的面积,降低生产成本.文档为个人收集整理,来源于网络
随著半导体制造技术的进步,对于整合更多功能至单一芯片的需求也跟著大幅提升,此时用MOSFET设计模拟电路的另外一个优点也随之浮现。
为了减少在印刷电路板(PCB)上使用的积体电路数量、减少封装成本与缩小系统的体积,很多原本独立的类比芯片与数位芯片被整合至同一个芯片内。
MOSFET原本在数位积体电路上就有很大的竞争优势,在类比积体电路上也大量采用MOSFET之后,把这两种不同功能的电路整合起来的困难度也显著的下降.另外像是某些混合讯号电路,如类比/数位转换器,也得以利用MOSFET技术设计出效能更好的产品。
近年来还有一种整合MOSFET与BJT各自优点的制程技术:
BiCMOS也越来越受欢迎。
BJT元件在驱动大电流的能力上仍然比一般的CMOS优异,在可靠度方面也有一些优势,例如不容易被“静电放电”(ESD)破坏.所以很多同时需要复噪声信号处理以及强大电流驱动能力的积体电路产品会使用BiCMOS技术来制作。
过去数十年来,MOSFET的尺寸不断地变小。
早期的积体电路MOSFET制程里,通道长度约在几个微米的等级。
但是到了今日的积体电路制程,这个参数已经缩小了几十倍甚至超过一百倍。
2006年初,Intel开始以65纳米的技术来制造新一代的微处理器,实际的元件通道长度可能比这个数字还小一些。
至90年代末,MOSFET尺寸不断缩小,让积体电路的效能大大提升,而从历史的角度来看,这些技术上的突破和半导体制程的进步有著密不可分的关系。
基于以下几个理由,我们希望MOSFET的尺寸能越小越好。
第一,越小的MOSFET象征其通道长度减少,让通道的等效电阻也减少,可以让更多电流通过.虽然通道宽度也可能跟著变小而让通道等效电阻变大,但是如果能降低单位电阻的大小,那么这个问题就可以解决。
其次,MOSFET的尺寸变小意味著栅极面积减少,如此可以降低等效的栅极电容.此外,越小的栅极通常会有更薄的栅极氧化层,这可以让前面提到的通道单位电阻值降低。
不过这样的改变同时会让栅极电容反而变得较大,但是和减少的通道电阻相比,获得的好处仍然多过坏处,而MOSFET在尺寸缩小后的切换速度也会因为上面两个因素加总而变快。
第三个理由是MOSFET的面积越小,制造芯片的成本就可以降低,在同样的封装里可以装下更高密度的芯片。
一片积体电路制程使用的晶圆尺寸是固定的,所以如果芯片面积越小,同样大小的晶圆就可以产出更多的芯片,于是成本就变得更低了.文档为个人收集整理,来源于网络
虽然MOSFET尺寸缩小可以带来很多好处,但同时也有很多负面效应伴随而来。
1.次临限传导
由于MOSFET栅极氧化层的厚度也不断减少,所以栅极电压的上限也随之变少,以免过大的电压造成栅极氧化层崩溃.为了维持同样的性能,MOSFET的临界电压也必须降低,但是这也造成了MOSFET越来越难以完全关闭。
也就是说,足以造成MOSFET通道区发生弱反转的栅极电压会比从前更低,于是所谓的次临限电流造成的问题会比过去更严重,特别是今日的积体电路芯片所含有的晶体管数量剧增,
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