小功率车载逆变电源的设计

范寿铭，黄凯伦

（温州大学 浙江 温州 325000）

现在随着汽车的普及度越来越高，人们对汽车的功能要求也越来越高，尤其是有车族对车载电源方面的要求，车载逆变电源作为一种可以提供220 V交流电的装置，不仅可以为人们的各种手机，笔记本电脑充电，还可以支持车载DVD，车载冰箱等电器。据有效统计，国外目前车载电源普及率为70%，而国内仅为20%左右。而且国内目前出售的部分车载逆变电源可靠性不高，价格昂贵，针对此特点，设计出一种具有可靠性，安全性，优质性的车载电源尤为重要。本文对小功率车载逆变电源展开设计与研究。此设计的核心为SPWM控制技术[1]，用DSP2812产生SPWM波形，抗干扰能力强，性价比高。

1 整体结构设计

本系统分为4个部分，分别为DC/DC变换、DC/AC变换、驱动电路、保护电路。如图1所示。

蓄电池的12 V直流电输入到DC/DC模块中，输出为260 V的直流电，输入到DC/AC模块中，产生220 V交流电提供给负载。DC/DC和DC/AC模块采用驱动电路来控制，其中DC/DC模块以TL494芯片控制，而DC/AC模块则需要驱动电路产生SPWM波形来控制。保护电路是用来防止负载两端电压过高而烧坏用电设备，防止变压器一次侧流经开关管电流过大烧坏开关管。

图1 系统结构原理图Fig.1 The system principle diagram

当DC/AC逆变完成后产生的交流电通过交流互感器采集经过A/D转换输入到驱动电路里，实现对输出电压的模糊PID控制[2]。使电压稳定在220 V左右。

其中考虑到蓄电池的电压会下降，当电量不足时，蓄电池两端电压可能达不到12 V，从而使变压器二次侧电压不足220 V，所以选取合适的变压器使变压器二次侧的电压在260 V左右，之后通过SPWM来调至220 V。

2 模块介绍

2.1 DC/DC变换电路

DC/DC模块电路如图2所示。

图2 DC/DC变换电路图Fig.2 DC/DCconversion circuit diagram

变压器一次侧采用带中心抽头变压器的逆变电路[3]，原边中心抽头接蓄电池12 V，两端用开关管控制交替工作，副边绕组接成全波整流形式。变压器的扎数比为1:22，使得变压器二次侧输出电压约为交流260 V。在两个开关管两段分别并联两个续流二极管，然后变压器二次侧接一个桥式整流电路，使得输出为直流260 V，完成DC/DC变换。

其中如果拟定最大负载为1 000 W，当接最大负载时，变压器一次侧的电流约为83.3 A，所以Q1、Q2在选型时其最大导通电流要大于83 A，桥式整流电路流过的最大电流约为4 A，在D1选型时也要考虑最大电流问题。

2.2 DC/AC变换电路

DC/AC变换电路如图3所示。

DC/AC的变换是通过全桥逆变由4个可控开关管分为两组，两两一组轮流导通。例如当A，D导通时B，C关断流过负载电流规定为正方向，当B，C导通时A，D关断，流过负载的电流则为负方向，从而使流过负载的电流为交流。4个可控开关管的控制端接驱动电路（控制电路）。

图4 TL494内部结构图Fig.4 The internal structure of TL494

图3 DC/AC变换电路图Fig.3 DC/ACconversion circuit diagram

4个开关管都采用SPWM控制，通过改变开关管的触发角大小，从而改变负载两端电压大小，可以实现负载两端电压从0～260 V的调节。这里负载两端电压调至220 V。C1为滤波电容，DC/DC变换输出的直流电流中含有交流分量，故需要一个电容来滤除交流分量，使输入到DC/AC模块中的电流为直流。以提高负载两端电压的质量。

2.3 控制电路

TL494是一种性能优良的脉宽调制控制器[4]，其中包括基准电源、误差放大器、频率可变锯齿波震荡器、PWM比较器、触发器、输出控制电路、输出晶体管及死区时间控制电路等。

TL494内部结构如图4所示。

本文考虑到输出谐波和控制问题，故采用面积等效法来产生SPWM，即把正弦波半个周期分为n等份，用与每份面积相等的矩形脉冲来替代，因为矩形脉冲宽度与对应的正弦波面积为相应比例，所以可以通过计算来得到每个矩形脉冲的宽度和输出不同时矩形脉冲的宽度值，形成一个 50 Hz正弦波表的数据，将该组数据按每页 256个字节存于DSP内存中，每页不满 256个字节的数据后面补 0，这样可以方便DSP读取数据和提高运行速度[5]。利用DSP运算速度快的优势，达到实时控制4个晶体管的要求。

DSP2812一般使用外部时钟，所以要先对时钟进行初始化，然后将PLL控制寄存器PLLCR取值为10，送至CPU的是时钟则为150 MHz。主函数流程图如图5所示，初始化包括：系统时钟配置，PIE控制寄存器初始化，PIE中断向量表初始化，GPIO口初始化，EVA初始化。开中断实际上是定时器T1开始计数。在通用定时器初始化的时候便将中断打开。当T1CNT和T1CMPR的值相等时发生比较匹配事件，如果T1控制寄存器T1CON的TWCMPR为1，定时比较器被使能，且GPTONA的位TCMPOE为1时，定时器比较输出被使能，那么T1PWM_T1CMP引脚就会有SPWM波形输出。

图5 DSP2812内部程序主函数流程图Fig.5 DSP2812 Internal program flow chart of the main function

2.4 模糊PID控制及保护电路

模糊PID控制：目前大多数逆变系统都使用常规PID控制，虽然简单方便控制，但是很难保证系统在变工况前后都有良好的控制品质，系统的可控性较低[6]利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，其结构由常规PID控制和模糊推理的参数校正两部分组成。本文模糊自整定PID控制器采用PI控制器，用本系统的输出误差变化率和电压误差作为输入参数，就可达到在任意时刻以误差变化率ec和误差e对参数自我整定的要求。

保护电路：为了防止变压器一次侧电流过大烧坏一次侧电路故在变压器一次侧加装一个过电流保护器，当负载处发生短路或者负载功率过大超出规定功率，过流保护器动作，断开一次侧电路，达到保护功能。在负载两端串联一个空气开关，当发生漏电或者电压过高时，自动脱扣，防止漏电事故或者过电压事故的发生。在输出端安装欠电压指示电路，当输出电压过低时，欠压保护指示灯亮起，提醒用户蓄电池电量不足，应及时充电。

3 仿真结果

本文采用MULTISIM软件进行模拟仿真。

3.1 负载两端电压

负载两端电压如图6所示。把Multisim软件的双通道模拟示波器接到负载两端观察波形，得到图5所示的波形，为近似于220 V的方波。

图6 负载两端电压（multisim示波器）Fig.6 The voltage across the load（multisim OSC）

3.2 波形仿真分析

由于Multisim里面的原件大部分都是理想原件[7]，而实际当中原件不是理想的，例如开关管有关断后的漏电流等，所以仿真结果还是与实际有少许误差，但总体上能反映此系统的功能。经过实物测试，得到的结果与仿真误差很小，误差可以忽略。得到的220 V方波可以代替工频电作为额定电压为220 V的设备电源。

4 结论

本文的逆变电源设计采用SPWM调制技术和模糊PID控制，与单纯的PWM控制相比使电源输出稳定性提高25%左右，即使汽车蓄电池电压低于额定电压10%，仍能有效的输出额定交流电，并有较强的抗干扰能力。经过实物测试，保护电路对过电压和过电流的动作灵敏，起到了保护人身安全、蓄电池及逆变电路的保护作用。

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