一款常见车载逆变器电路及原理

2017-03-16 71 0

车载逆变器指标:输入电压 DC 10~14.5 V;输出电压 AC 200~220 V±10%;输出频率 50 Hz±5%;输出功率 70 W~150 W;转换效率大于 85%;逆变工作频率 30 kHz~50 kHz。

目前市场上销售量最大、最常见的车载逆变器输出功率为 70 W~150 W,逆变器电路主要采用 TL494 或 KA7500 芯片为主的脉宽调制电路。一款最常见的车载逆变器电路原理图见图 1。

车载逆变器电路工作原理:整个电路大体上可分为两大部分,每部分各采用一只 TL494 或 KA7500 芯片组成控制电路。其中第一部分电路的作用是将汽车电瓶等提供的 12 V 直流电,通过高频 PWM(脉宽调制)开关电源技术转换成 30 kHz~50 kHz、220 V 左右的交流电;第二部分电路的作用则是利用桥式整流、滤波、脉宽调制及开关功率输出等技术,将 30 kHz~50 kHz、220 V 左右的交流电转换成 50 Hz、220 V 的交流电。

图 1 电路中,由芯片 IC1 及其外围电路、三极管 VT1、VT3、MOS 功率管 VT2、VT4 以及变压器 T1 组成 12 V 直流变换为 220 V/50 kHz 交流的逆变电路。由芯片 IC2 及其外围电路、三极管 VT5、VT8、MOS 功率管 VT6、VT7、VT9、VT10 以及 220 V/50 kHz 整流滤波电路 VD5~VD8、C12 等共同组成 220 V/50 kHz 高频交流电变换为 220 V/50 Hz 工频交流电的转换电路,最后通过 XAC 插座输出 220 V/50 Hz 交流电供各种便携式电器使用。

IC1、IC2 采用了 TL494CN(或 KA7500C)芯片,构成车载逆变器的核心控制电路。TL494CN 是专用的双端式开关电源控制芯片,其尾缀字母 CN 表示芯片封装外形为双列直插式塑封结构,工作温度范围 0~70 ℃、极限工作电源电压 7~40 V、最高工作频率 300 kHz。

TL494 芯片内置 5 V 基准源,稳压精度 5 V±5%、负载能力 10 mA,通过其 14 脚输出供外部电路使用。TL494 芯片还内置 2 只 NPN 功率输出管,可提供 500 mA 的驱动能力。TL494 芯片内部电路如图 2 所示。

图 1 中 IC1 的 15 脚外围电路的 R1、C1 组成上电软启动电路:上电时电容 C1 两端电压由 0 V 逐步升高,只有当 C1 两端电压达到 5 V 以上时才允许 IC1 内部的脉宽调制电路开始工作。电源断电后,C1 通过电阻 R2 放电,保证下次上电时的软启动电路正常工作。

IC1 的 15 脚外围电路的 R1、Rt、R2 组成过热保护电路。Rt 为正温度系数热敏电阻,常温阻值可在 150~300 Ω 范围内任选,适当选大些可提高过热保护电路启动的灵敏度。热敏电阻 Rt 安装时要紧贴于 MOS 功率开关管 VT2 或 VT4 的金属散热片上,才能保证电路的过热保护功能有效。

IC1 的 15 脚对地电压值 U 是一个比较重要的参数,图 1 电路中 U≈Vcc×R2÷(R1+Rt+R2),常温下计算值约为 6.2 V。正常工作情况下要求 IC1 的 15 脚电压略高于 16 脚电压(与芯片 14 脚相连为 5 V),其常温下 6.2 V 的电压值正好满足要求并略留一定余量。当电路工作异常、MOS 功率管 VT2 或 VT4 温升大幅提高、热敏电阻 Rt 阻值超过约 4 kΩ 时,IC1 内部比较器 1 的输出由低电平翻转为高电平,IC1 的 3 脚随即翻转为高电平,致使芯片内部 PWM 比较器、"或"门以及"或非"门的输出均发生翻转,输出级三极管 VT1 和 VT2 均转为截止状态。当 IC1 内两只功率输出管截止时,图 1 电路中的 VT1、VT3 将因基极为低电平而饱和导通,功率管 VT2 和 VT4 将因栅极无正偏压而处于截止状态,逆变电源电路停止工作。

IC1 的 1 脚外围电路的 VDZ1、R5、VD1、C2、R6 构成 12 V 输入电源过压保护电路,稳压管 VDZ1 的稳压值决定保护电路的启动门限电压值;VD1、C2、R6 还组成保护状态维持电路,只要发生瞬间的输入电源过压现象,保护电路就会启动并维持一段时间,以确保后级功率输出管的安全。考虑到汽车行驶过程中电瓶电压的正常变化幅度,通常将稳压管 VDZ1 的稳压值选为 15 V 或 16 V 较为合适。

IC1 的 3 脚外围电路的 C3、R5 是构成上电软启动时间维持以及电路保护状态维持的关键电路。实际上不管是软启动的控制还是保护电路的启动控制,最终结果均反映在 IC1 的 3 脚电平状态上。电路上电或保护电路启动时 IC1 的 3 脚为高电平,将对电容 C3 充电;这导致保护电路启动的诱因消失后,C3 通过 R5 放电,因放电所需时间较长,使电路的保护状态仍得以维持一段时间。

当 IC1 的 3 脚为高电平时,还将沿 R8、VD4 对电容 C7 充电,同时将 C7 两端电压提供给 IC2 的 4 脚、使 IC2 的 4 脚保持高电平状态。当 4 脚为高电平时将抬高芯片内死区时间比较器同相输入端的电位,使该比较器输出保持恒定的高电平,经"或"门、"或非"门后使内置三极管 VT1、VT2 均截止,图 1 电路中的 VT5 和 VT8 处于饱和导通状态,其后级 MOS 管 VT6 和 VT9 将因栅极无正偏压而都处于截止状态,逆变电源电路停止工作。

IC1 的 5 脚外接电容 C4(472)和 6 脚外接电阻 R7(4k3)为脉宽调制器定时元件,所决定的脉宽调制频率为 fosc=1.1÷(0.0047×4.3) kHz≈50 kHz。即电路中的三极管 VT1、VT2、VT3、VT4 和变压器 T1 的工作频率均为 50 kHz 左右,因此 T1 应选用高频铁氧体磁芯变压器。变压器 T1 的作用是将 12 V 脉冲升压为 220 V 脉冲,其初级匝数 20×2、次级匝数 380。

IC2 的 5 脚外接电容 C8(104)和 6 脚外接电阻 R14(220 k)为脉宽调制器定时元件,所决定的脉宽调制频率为 fosc=1.1÷(C8×R14)=1.1÷(0.1×220) kHz≈50 Hz。

R29、R30、R27、C11、VDZ2 组成 XAC 插座 220 V 输出端的过压保护电路,当输出电压过高时导致稳压管 VDZ2 击穿、使 IC2 的 4 脚对地电压上升,芯片 IC2 内保护电路动作、切断输出。

车载逆变器电路中的 MOS 管 VT2、VT4 有一定功耗,必须加装散热片,其他器件均不需安装散热片。当车载逆变器产品持续应用于功率较大的场合时,需在内部加装 12 V 小风扇以帮助散热。

电路中各元器件的参数列于附表。

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