基于TL494的正弦逆变电路设计

张德树,刘 青,宫 强,王 军,谢家安

(1.滁州职业技术学院 信息工程学院,安徽 滁州 239000; 2.安徽中认倍佳科技有限公司,安徽 滁州 239000)

将直流电转换成交流电的过程叫逆变。逆变电路(逆变器)可为市电非直供场所提供所需的交流电,如汽车、UPS、医疗等,更为光伏发电、风力发电担供了物理基础[1]。

逆变器按输出的波形主要分为两大类:方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器输出的方波电流中包含的大量的高次谐波成分,尤其零序三次谐波幅值较大,不适合带感性负载。正弦波逆变器分为近似正弦波逆变器和纯正弦波逆变器。近似正弦波逆变器输出电压波形近似正弦,可以满足我们绝大部分用电需求。

一、电路设计方案

电路由输入过压保护、过热保护、逆变I、220V/30KHz整流滤波、逆变II、输出过压保护等组成。逆变I和逆变II都是采用一只TL494芯片组成控制电路,逆变I电路是将12VDC通过高频PWM技术转换成约30KHz 220V AC,再经整流、滤波后变换为直流电,最后经过逆变II转换成50Hz 220VAC。电路组成框图见图1。

二、TL494芯片

(一)TL494内部结构、引脚功能

TL494是一种高性能固定频率的脉宽调制控制器,它包含了逆变器控制所需的全部功能,被广泛地应用于半桥式、全桥式开关电源[2]。TL494芯片内部电路包括振荡器、两个误差比较器、5VDC基准电源、死区时间比较器、欠压封锁电路、PWM比较器、输出电路等。TL494芯片的引脚及芯片内部组成电路框图分别见图2和图3[3]。

图2 TL494引脚图

图3 TL494内部电路图

(二) TL494工作原理

1． 振荡器

2． 死区时间比较器

作用是调整死区时间,通过0～4VDC电压来调整输出驱动信号的占空比来实现。当4脚电压升高,D 触发器CK端高电平的时间加宽,经过反相,使Q1和Q2基极为低电平而截止。4脚电位越高,死区时间越宽,输出驱动信号的占空比越小。芯片内部预加了0.12VDC,使死区时间最小不能小于4%,单管工作时最大占空比96%,推挽输出时最大占空比为48%,波形见图4。

图4 TL494脉冲控制波形图

3．PWM比较器

作用与IC的4脚控制作用类似,通过IC内部两个误差放大器的输出信号与TL494的3脚输入电压来调整输出驱动信号的占空比。若PWM比较器输入(误差放大器输出)电压升高,输出控制信号占空比变小;反之,占空比增加,实现反馈的PWM调节。若TL494的3脚电压加到3.5VDC,占空比达到0.0%。

芯片3脚为输出信号脉宽调制器的反馈补偿的控制端,作用于误差信号放大器的输出对信号的最高反馈电压进行补偿,最高的补偿反馈电压为4.5 V[5],波形见图4。

4．误差放大器

作用是电源电压反馈和过流保护。反馈信号经比较器比较后的输出信号,与振荡器输出的锯齿波送PWM比较器比较,进行PWM调节。

5．欠压保护电路

当Vcc低于4.9V,或者内部基准电源低于3.5VDC时,CK端被钳位为高电平,从而使输出的两个晶体管截止,达到保护作用。

6．输出电路

三、逆变电路设计

(一)逆变原理

逆变I主电路采用带中心抽头变压器的逆变电路,电路原理见图5:

图5 带中心抽头变压器的逆变电路

V1为通态,V2为断态,变压器原边电压2正1负(3正2负),电流向左逐渐上升。副边电压5正4负。负载电压左负右正,大小为Ud。

给V1关断信号,给V2开通信号,由于感性负载中电流IO不能立即改变方向,变压器原边感应出3负2正(1正2负)的电压,此时VD2续流,电流变小。副边电压5负4正,负载电压左正右负,大小为Ud。

当负载电流减小为零,VD2截止,V2导通,负载电流改变方向后向右,变压器原边2正3负(1正2负),电流向右逐渐变大。负载电压左正右负,大小为Ud。

给V2关断信号,给V1开通信号,由于感性负载中电流IO不能立即改变方向,变压器原边感应出2负3正(1正2负)的电压,此时VD1续流,电流变小。

逆变II主电路采用电压型单相全桥逆变电路,两对桥臂交替导通180°,电路原理图及工作波形见图6。

图6 全桥逆变电路

t1时前:V1,V 4同时导通,输出电压为Ud,电感充能,IO向右逐渐上升。

t1时刻:V3,V4驱动信号反向,V4关断,由于电感储能作用,V3不能立即开通,VD3续流,IO向右逐渐下降,输出电压为0。

t2时刻:V1,V2栅极信号反向,V1截止,V2不导通,VD2续流,VD2,VD3为导电通路,IO向右逐渐下降,输出电压为-Ud。负载电流过零后,并开始反向时,VD2,VD3截止,V2,V3导通,电感充能,IO向左逐渐上升,输出电压仍为-Ud。

t3时刻:V3,V4驱动信号再次反向,V3关断,V4不能立即开通,VD4续流,IO向左逐渐下降,输出电压为0。

若是感性负载,负载的电流波形近似正弦波;若是阻性负载,则负载电流波形与负载电压波形相似。

(二) 逆变I驱动信号产生电路及过热保护电路

图7 逆变I驱动信号产生电路及过热保护电路

(三) 逆变II驱动信号产生电路

图8 逆变II驱动信号产生电路

(四) DC/DC 变换电路

图9中VT1、VT2、VT3、VT4、高频变压器T1、整流二极管VD5、VD6、VD7、VD8、滤波电容C12及周围相关元件构成DC/DC 变换电路。VT1和VT3的基极分别接IC1内置的Q1和Q2发射极E2和E1。高频变压器T1的作用是将12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。经整流滤波电路变成约220V直流电压。

图9 逆变器总电路原理图

电路工作于推挽状态,IC1内置的Q1和Q2交替导通,使VT1、VT3的交替导通,VT2和VT4以频率为30KHz 交替导通,变压器工作在推挽状态,使变压器的初级输入端有30KHz的交流电。

当VT1饱和导通时,场效应管VT2因为栅极无正偏压而截止,而此时VT3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/30KHz的交流电。

R9、R10、R11起限流作用,取值为4.7KΩ。滤波电容C5取2200μF/25V。T1可选用200W的EI33型高频铁氧体磁心变压器,工作频率约30KHz左右,初级绕组采用直径1.2mm的漆包线,两根并绕2×20匝,次级绕组采用0.8mm漆包线绕380匝,电压变比12V/220V;引脚结构形式:3入2出式。

(五) 输入过压保护电路

输入过压保护电路由图9中IC1的1脚和3脚外围的DZ1、R5、R6、R8、C2、C3、VD1、VD4等元件组成。若输入电压过大,稳压管DZ1被击穿,VD1导通,输入电压向C2充电,IC1的1脚维持一段时间低电平状态。C2充电结束后又通过R6放电,当C2放电结束时,IC1的1脚由低电平翻转为高电平,使IC1的3脚为高电平状态,导致TL494芯片内部的PWM比较器、或门、或非门的输出均发生翻转,IC1内置晶体管Q1和Q2均转为截止状态,直流变换电路停止工作。同时IC2的的4脚为高电平状态,抬高死区时间比较器同相输入端的电位,芯片内置的Q1和Q2截止,停止后继电路的工作。

DZ1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值。稳压管的稳压值一般为输入电压的1～1.2倍。若输入电压为12VDC,将DZ1的稳压值选为14V左右较为合适。R5取为100KΩ,R6、R8均取为4.7KΩ,C2、C3均取为47μF。

(六) 输出过压保护电路

(七) DC/AC变换电路

DC/AC变换电路由图9中VT5、VT6、VT7、VT8、VT9、VT10及其周围元件组成。采用全桥逆变形式,由于不需要变压器升高或降低电压而是直接向负载供电,使得逆变器的体积可以减小[6]。VT5、VT8以频率为50Hz交替工作。

因为IC2工作于推挽状态,当IC2的11脚输出低电平8脚输出高电平:VT5截止,VT6的栅极接12V电压导通。VT7截止,UO的上端接220VDC。同时VT8饱和导通,VT9截止。因为VT10栅极接IC2的8脚高电平而导通,使UO的下端接地,此过程使逆变电路的输出端得到上正下负220VAC的正半周交流电;

当IC2的11脚输出高电平8脚输出低电平:VT5的基极接IC2的11脚输出高电平饱和导通,VT6的栅极为低电平而截止。VT7导通,UO的上端接地。同时VT8截止,VT9导通。因为VT10栅极接IC2的8脚低电平而截止,使UO的下端接220VDC,此过程使逆变电路的输出端得到上负下正220VAC的负半周交流电;C13、C15和C14均为平滑输出的吸收电容。由于TL494芯片II的11脚和8脚输出的方波控制信号以频率为50Hz而交替出现,电路输出220V/50Hz ACV。

晶体管VT5、VT8选择KSP14,场效应管VT6、VT7、VT9和VT10选择IRF740型。C13和C15取10μF,C14取0.01μF,电路见图9。

四、电路调试

按图9组装逆变电路后,接通12VDC,LED指示灯亮电路工作正常。逆变I驱动信号产生电路输出的两路驱动信号波形见图10。

图10 逆变I驱动电路输出信号

逆变II驱动信号产生电路输出的两路驱动信号波形见图11。

图11 逆变II驱动电路输出信号

UO端输出电压通过示波器探头10倍衰减后示波器,输出的波形见图12,其电压有效值约为220伏。

图12 输出电压经10倍衰减后的波形

五、结束语

结合TL494芯片内部电路组成及工作原理,利用两片TL494设计驱动控制电路,同时设计DC/DC电路、DC/AC电路、输入输出反馈保护电路等。经过电路各参数计算及元件选择,并完成了组装与调试,功能正常,实践证明利用本文所介绍的基于TL494的逆变电源设计方案是可行。