两级变换的单相逆变电源的设计与调试

刘 萍

(厦门大学嘉庚学院 电子工程系，福建 漳州 363105)

两级变换的单相逆变电源的设计与调试

刘 萍

(厦门大学嘉庚学院 电子工程系，福建 漳州 363105)

针对电源调试困难问题，本文结合两级变换的单相逆变电源阐述其设计与调试过程，试图让初学者能理解电源，能对电源电路排错，能设计一款系能较好的电源。在实际教学过程中，证明本文的调试方法是切实可行的。

开关;逆变;设计;调试

很多工程师认为设计及调试电源是非常看重经验的一门技术。对初学者来说，缺少经验，电源设计还可以模仿成熟电路，但调试过程中遇到的问题有可能百思不得其解，这时需要寻求一种有效的调试方法，找到问题所在，但目前大部分的书籍及网络资料介绍的调试方法，对于刚刚接触电源的人来说，难度略大。本文以两级变换的单相逆变电源为例，引导初学者如何调试电路，做到在实践中学习、理解理论，最终调试成功。

1 系统设计

本文设计一款简易电源，要求输入DC24V，输出36V、50HZ的工频正弦波交流电源。电源的输出高于输入，直接进行DC/AC转换无法满足要求，应通过两级变换:DC/DC、DC/AC。其主体设计框图如图1所示。

确定设计方向之后，查找相应资料。对于刚接触电源的来说，应找易于实现的简单电路。基础此，确定DC/DC部分采用boost升压电路;DC/AC部分采用全桥逆变电路。

图1 系统总框图

2 硬件设计与调试

进入具体的电路设计及调试阶段，应遵循模块化调试的方法。调试每个模块时，应先将对应理论掌握70%以上，这样才能对电路中出现的每个问题做出大致的判断，才能在实践中学习理论。

2.1 升压模块

升压模块的具体电路如图2所示。

图2 升压电路图

2.1.1 TL494

TL494在电源中运用广泛，能根据输入的差值自行产生占空比可调的方波。在搭接升压系统前，应先掌握TL494性能，可以搭接图3的测试电路。

(1)掌握占空比变化范围:改变1脚电压，观察9脚输出波形，同时记录输出波形的占空比变化范围及1、2脚的关系。

(2)掌握输出的幅值受哪个参数控制:改变电源电压，观察9脚输出波形的幅值。

(3)掌握如何锁定占空变化的范围:给4脚加0-3.5V的电压，观察9脚输出波形占空比上限的变化。

(4)掌握如何修改输出的频率:改变5、6脚的电容电阻值，观察9脚输出波形的频率。

图3 TL494性能测试电路

图4 Boost测试电路

2.1.2 BOOST升压电路

BOOST拓扑结构所需元件少，开关管可选择导通内阻小，击穿电压大，允许管耗大的如IRF540;二极管选择导通截止切换频率高、管压降小、允许通过电流大的肖特基二极管，如F10L60U;电容及电感的选择难度相对较大;可先通过理论公式计算，再进行微调。微调电路参见图4。

选定开关管、二极管及理论计算的电容，信号发生器产生方波信号，观察电路输出。若电路输出不满足要求，可增大方波信号的占空比;改变电感，在同样占空比的情况下进行测试，记录其输出;多次测量，选择使输出电压最大的那个电感值。

在电感确定后，更换电容，用示波器观测其输出，选择较佳的电感值。同时，频率也可以上下微调，选定一个最佳频率值。

2.1.3 升压电路联调

(1)根据图4电路确定的电感值，电容值，以及相应的频率可确定升压系统的电容、电感及494的5、6脚的电容电阻值。

(2)494的供电电源应与输入电源共电源，系统参数下，可得较高的效率。

(3)灵活处理494死区控制脚即4脚输入电压。空载调试时，4脚的电压给2.5V左右，根据输出情况，减小4脚电压;带载之后，根据输出情况，继续微调4脚电压。来回几次调整，最后锁定4脚电压值。

(4)改变1脚电压值，确保系统升压至45V(可由逆变输入输出关系大致确定)。

2.2 逆变模块

逆变电路如图5所示。该模块包括死区(延时)控制、驱动及全桥电路、滤波电路。

图5 逆变电路

2.2.1 死区控制

全桥电路上下两个MOS管由一组互补的SPWM(单片机产生)控制。由于MOS管本身存在上升沿、下降沿的延时，这一对MOS管就有可能出现同时导通的情况。为了避免这种情况的出现，对控制信号加入死区控制。死区时间若选择过大，波形失真;若过小，仍有可能出现两管同时导通的情况。一般选择开关管上升沿及下降沿延时间的2-4倍，具体数值由电路的RC值确定。

如何理解死区电路，为了观测的方便，可用信号发生器产生方波信号代替SPWM，同时观测输入与输出。

2.2.2 全桥逆变

控制信号SPWM不能直接加载至全桥电路中，而要经过驱动电路。本设计选择电源常用驱动芯片IR2110，它有两路互补输出，有自举输出端，输入范围大。驱动电路与全桥连接，需将IR2110的7脚(HO)输出应控制全桥的上管，1脚(LO)输出控制全桥下管，不能接反。同时，自举输出端应接至上管的3脚。若自举端接至地端，上管则无法导通。

将死区控制的输出信号分别连至驱动电路，用示波器两路通道同时观测输出信号，确定两路信号是否是互补的方波信号，方波的高电平接近电源电压，方波的频率由SPWM频率确定。若得不到正确的输出信号，应检查驱动电路的HO、LO是否有正常输出。若出现过流现象，可适当延长死区控制时间。

2.2.3 滤波

本系统输出信号50HZ，SPWM 20KHZ，一般可选择LC滤波。若全桥逆变输出选择一路LC滤波，且用示波器观测，则会出现短路的情况，原因是，示波器探头本身接地，而逆变输出端是浮动输出，无任何一端接地。为能进行测量，可用差分式探头测量，也可用两路LC滤波，如图5所示。根据理论公式计算可得到C、L的大致范围。一般电感用铁粉芯磁芯绕制，电感用CBB电容。

根据输出波形，适当调整电感、电容值。

2.3 检测模块

若仅将升压模块的输出接至逆变模块的输入，则系统的可靠性差，尤其是带大负载时。为了实现电源带载(一定范围内)仍有36v稳定输出，需设计闭环控制系统，将输出的采样电压接至图6电路，构成闭环。

调试该电路时，可在输入端接入信号发生器产生的正弦信号，观测输出是否是稳定的直流，若纹波大，则应更改R、C的值。

图6 交－直流转换电路

2.4 附加电源模块

评价电源优劣的一项重要指标是电源的效率。提高效率除了在系统设计上、参数选择上下功夫外，附加电源也是不可忽视的部分。常见的线性电源如78、79系列效率较低，而很多开关集成稳压芯片的效率都可达80%以上。

3 软件调试及系统联调

软件的调试可以与硬件同步进行。若硬件还没有搭接成功，可以用信号发生器产生的信号代替硬件的反馈信号。本系统使用Stc12c5620ad单片机产生SPWM，随着反馈电压变化，SPWM的占空比应反向变化。基本功能调试成功后，再与硬件联调。

将单片机的输入接至延时电路的输入端，将升压模块的输入接至逆变模块的输入。给系统上电，测试:

(1)空载输出。

图7 系统输出波形

(2)带载测试:若空载输出与带载输出波形不同，则应修改软件算法;若波形稳定速度比较慢，也应修改软件算法;若算法修改无效后，应手动设置SPWM占空比的值，观察输出变化范围。如果占空比大范围变化，输出仍无法达到要求，应考虑优化电路设计。

4 实验结果

按上述方法设计及调试电路，最终测试系统输出波形如图7所示，满足设计要求。

5 结语

电源的调试是一项非常复杂的工作，设计一款性能优良的电源它也需要长时间的学习和经验的积累。本文介绍的调试方法虽简单易行，但仅对初学者而言，仅适用于比较简单的电路。这些对刚刚着手学习电源的人来说，应该会有很大帮助。

［1］普利斯曼，比利斯，莫瑞.开关电源设计［M］.王志强，肖文勋，虞龙等译.北京:电子工业出版社，2010.

［2］李龙文.最新开关电源［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［3］钟晓强，李方园.电力电子技术简明教程［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［4］韩学军.模拟电子技术基础［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［5］周志敏，周纪海，纪爱华.逆变电源实用技术:设计与应用［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［6］沈锦飞.电源变换应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［7］周洁敏.开关电源理论及设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2012.

Design and Debugging for Single-phase Inverter Power of Two-stage Conversion

LIU Ping
(Department of Electronic Engineering，Tan Kah Kee College of Xiamen University，Zhangzhou 363105，China)

In view of the difficult power debugging problem，this paper combines the single-phase inverter power of two-stage conversion to explain its design and debugging process，trying to make beginners understand power，debug power circuit and design a better system.In the actual teaching process，it proves that this debugging method is feasible.

switch;inverter;design;debugging

TM615

A

1009-3907(2013)12-1535-03

2013-09-26

刘萍(1981-)，女，江西丰城人，讲师，硕士，主要从事控制类课程的教学和电源类方向的研究。

责任编辑:

吴旭云