安徽師范大學(xué) 謝停停 曹一凡 張仕超
一種基于場效應(yīng)管及反相器的逆變電源的研究
安徽師范大學(xué) 謝停停 曹一凡 張仕超
本設(shè)計主要任務(wù)是分析并實現(xiàn)了一個能將直流12V電源轉(zhuǎn)變?yōu)?20V交流市電的逆變電源。具體為首先由六反相器4069UB和78L05構(gòu)成50Hz方波信號發(fā)生器后經(jīng)由MOS場效應(yīng)管將其電壓由原來的5V峰值放大至12V。經(jīng)初次自制濾波后經(jīng)12-220變壓器進(jìn)行升壓并再次利用自制濾波電路逆變電源要求。本設(shè)計中的12V直流供電采用自制對的電源模塊。通過測試可以實現(xiàn)功能。同時為了達(dá)到過流保護(hù)功能,我們利用三極管及繼電器實現(xiàn)的閾值可設(shè)定的過流保護(hù)模塊,通過測試能滿足過流保護(hù)功能。
DC-DC變換器;過流保護(hù);逆變器;CD4069;PFC功率因數(shù)校正
一般情況下,逆變電路的作用是將直流電交流化,對于電壓比較低的情況,我們使用升壓電路(直流轉(zhuǎn)直流)進(jìn)行升壓,至于頻率可以通過震蕩器去設(shè)置。在這里采用反相器,配合50hz頻率模擬市電。本系統(tǒng)采用以MOS產(chǎn)效應(yīng)管及普通電源變壓器為核心實現(xiàn)將直流12V電源轉(zhuǎn)變?yōu)?20V交流市電的逆變電源。電路模塊依次為方波信號發(fā)生器,前級低通濾波器,放大電路,變壓電路及次級濾波電路。同時我們在電路中實現(xiàn)了過流保護(hù)功能。下面分別對不同部分進(jìn)行討論,各模塊分析將在單元模塊設(shè)計中介紹。
采用的DC-DC升壓電路,由12V升壓到24V,可以進(jìn)行切換電路。由CD6049產(chǎn)生方波信號,以進(jìn)行逆變,通過變壓器將電壓升到220V,再經(jīng)過濾波電路,反復(fù)調(diào)試可以得到220V正弦波電路,此時再對電路進(jìn)行功率因數(shù)校正,可以大大的提高效率,再接燈泡實現(xiàn)帶載。為了實現(xiàn)達(dá)到要求的帶負(fù)載能力,我們利用場效應(yīng)管實現(xiàn)由5V的電壓放大至12V電壓,同時為了實現(xiàn)正弦波的輸出,我們利用了兩次濾波實現(xiàn)檢頻的功能。具體為首先由六反相器4069UB和78L05構(gòu)成50Hz方波信號發(fā)生器后經(jīng)由MOS場效應(yīng)管將其電壓由原來的5V峰值放大至12V。經(jīng)初次自制濾波后經(jīng)12-220變壓器進(jìn)行升壓并再次利用自制濾波電路逆變電源要求。本設(shè)計中的12V直流供電采用自制對的電源模塊。本系統(tǒng)主要有DC-DC電路、CD4069方波信號電路、逆變電路、濾波電路、過流保護(hù)電路,功率因數(shù)矯正電路組成可參考系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(如圖1所示)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
對于這種逆變器市場普遍采用恒頻脈寬調(diào)制控制器TL494,494芯片在電源設(shè)計上有很大的功能,尤其在逆變電路中,因為其功能大多內(nèi)置,因此不需要過多的外設(shè),這樣對電路的復(fù)雜度有好處而且效率也還不錯。但是PWM輸出的紋波震蕩的很厲害,不好調(diào)整,不利于電路穩(wěn)定,而且TL494特別不好調(diào)節(jié),容易燒場效應(yīng)管,需要耐很大電流的場效應(yīng)管,要求和限制較多,不可靠。因此相比之uc3843芯片在這方面做得更好,這個芯片支持單端輸出同時也能推挽,工作頻率為1--300KHz,輸出電壓可達(dá)40V,內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn),準(zhǔn)確度較高,可實現(xiàn)升壓,電壓電流可調(diào),在輸出方面功能也很強(qiáng)大,通過測量升壓電路效率可達(dá)95%。
一般UA741放大電路外接若干二極管、電阻電容可實現(xiàn)產(chǎn)生方波電路,這種方案硬件電路復(fù)雜,可靠性差,方波產(chǎn)生不穩(wěn)定。如果采用 CD4069(反相器) 實現(xiàn)方波(大致)的發(fā)生。有時由于電源的不穩(wěn)定,會使得電壓發(fā)生一定范圍的紋波,在這種情況下極大地使頻率發(fā)生了改變所以我們在設(shè)計時需要加入補(bǔ)償電阻。這樣所產(chǎn)生的方波可靠性好,實現(xiàn)了電路的穩(wěn)定。同樣采用單相PWM整流電路可以使其輸入電流接近正弦波,且和輸入電壓同相位,功率因數(shù)接近1。具有很高的效率,而且能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)整。但PWM驅(qū)動復(fù)雜,硬件閉環(huán)控制實現(xiàn)起來困難。所以這里利用斬波電路進(jìn)行升壓,結(jié)合功率因數(shù)校正實現(xiàn)整流。這樣一來電壓電流調(diào)整的問題很容易就解決并且符合基本要求。PFC主要進(jìn)行功率因數(shù)的調(diào)整,在使用前需要進(jìn)行一點(diǎn)調(diào)整,從而提高效率。
UC3843升壓電路(如圖2所示),正如前面所述其本身具有非常強(qiáng)大的功能,首先內(nèi)置強(qiáng)大使得外圍電路很容易搭建,省去了手工焊接的麻煩。其次uc3843的工作頻率也很高。一般來說,開關(guān)電源芯片需要考量其工作的啟動電流,因為啟動電流如果很大,意味著效率會有影響,且芯片發(fā)熱也受其影響。DC-DC升壓電路主要由UC3843和mos管電路實現(xiàn)組成。由12V升壓到24V具有很高的效率,而且可以通過大電流,保證mos管電路安全?,F(xiàn)附DC-DC升壓電路圖:
圖2 uc3843升壓電路
圖3 LM358過流保護(hù)電路
LM358是使用較多的過流保護(hù)電路的主要芯片(如圖3所示)。檢測電流值需要采樣電阻進(jìn)行采樣,采樣值與比較值經(jīng)過LM358芯片的比較后一旦電流過大則需要放大器輸出高電平高電平驅(qū)動所控制的繼電器,這樣就能控制使得過流情況下電流斷路。
功率因數(shù)矯正電路(PFC)可分為升壓型和降壓型,首先ucc28019屬于有源PFC需要單獨(dú)供電。然后將輸入端電流轉(zhuǎn)化為與接入的市電相同的相位如圖4所示,輸出反饋端與Uref進(jìn)行比較輸入給放大器,比較器的輸出端一方面與電流放大器out-進(jìn)行比較,比較的結(jié)果輸入到PWM比較器,這里PWM輸出值會影響柵極電壓從而控制主電路中的開關(guān)管。
圖4 PFC功率矯正電路原理圖
開關(guān)電源和逆變電源在現(xiàn)實生活中已經(jīng)大范圍的使用了,我們所設(shè)計的這套開關(guān)電源系統(tǒng)不通過產(chǎn)生SPWM波進(jìn)行逆變,而是通過反相器,最后通過濾波方式進(jìn)行正弦化。在此過程中解決了許多問題。其實開關(guān)電源是一門特別需要耐心和細(xì)心的學(xué)科,首先器件的選擇很重要,我們通過了經(jīng)過了多次計算才確定了選用的元器件,如磁芯、漆包線、二極管、電阻電容的選擇,在做出了實物后,仍要反復(fù)試驗,從而提高效率。盡管如此但是本設(shè)計還存在其缺陷,那就是效率問題,效率要想更加好必須對濾波電路進(jìn)行改進(jìn),其次本逆變器沒有解決并網(wǎng)的問題,無法實現(xiàn)與市電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合??傊€需要很多的改進(jìn)!
[1]曾正,趙榮祥,湯勝清,楊歡,呂志鵬.可再生能源分散接入用先進(jìn)并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013.
[2]閆亮,許宜申,陶智,張鑫,婁霞,顧輝輝.基于TL494的微型車載逆變器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012.
[3]劉萍,石歡歡,黃圣妍,刁婉玉.高功率因數(shù)開關(guān)電源的分析與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014.
[4]姚旭升,陳濤,陳亮,申海鵬.帶有PFC功能的適配器設(shè)計[J].無線電工程,2015.