安徽師范大學(xué) 謝停停 曹一凡 張仕超

一種基于場(chǎng)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(jì)主要任務(wù)是分析并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(hào)發(fā)生器后經(jīng)由MOS場(chǎng)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(jì)中的12V直流供電采用自制對(duì)的電源模塊。通過測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)功能。同時(shí)為了達(dá)到過流保護(hù)功能，我們利用三極管及繼電器實(shí)現(xiàn)的閾值可設(shè)定的過流保護(hù)模塊，通過測(cè)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

0.引言

一般情況下，逆變電路的作用是將直流電交流化，對(duì)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(shí)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(hào)發(fā)生器，前級(jí)低通濾波器，放大電路，變壓電路及次級(jí)濾波電路。同時(shí)我們?cè)陔娐分袑?shí)現(xiàn)了過流保護(hù)功能。下面分別對(duì)不同部分進(jìn)行討論，各模塊分析將在單元模塊設(shè)計(jì)中介紹。

1.大體結(jié)構(gòu)

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(hào)，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(shí)再對(duì)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(shí)現(xiàn)帶載。為了實(shí)現(xiàn)達(dá)到要求的帶負(fù)載能力，我們利用場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)由5V的電壓放大至12V電壓，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出，我們利用了兩次濾波實(shí)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(hào)發(fā)生器后經(jīng)由MOS場(chǎng)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(jì)中的12V直流供電采用自制對(duì)的電源模塊。本系統(tǒng)主要有DC-DC電路、CD4069方波信號(hào)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

2.DC-DC升壓電路的論證與選擇

對(duì)于這種逆變器市場(chǎng)普遍采用恒頻脈寬調(diào)制控制器TL494，494芯片在電源設(shè)計(jì)上有很大的功能，尤其在逆變電路中，因?yàn)槠涔δ艽蠖鄡?nèi)置，因此不需要過多的外設(shè)，這樣對(duì)電路的復(fù)雜度有好處而且效率也還不錯(cuò)。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(chǎng)效應(yīng)管，需要耐很大電流的場(chǎng)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(gè)芯片支持單端輸出同時(shí)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(shí)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(cè)量升壓電路效率可達(dá)95%。

3.CD4069方波信號(hào)電路及 PFC功率校正電路

一般UA741放大電路外接若干二極管、電阻電容可實(shí)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(shí)現(xiàn)方波（大致）的發(fā)生。有時(shí)由于電源的不穩(wěn)定，會(huì)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?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)需要加入補(bǔ)償電阻。這樣所產(chǎn)生的方波可靠性好，實(shí)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(dòng)復(fù)雜，硬件閉環(huán)控制實(shí)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(shí)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。

4.DC-DC升壓電路

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(dòng)電流，因?yàn)閱?dòng)電流如果很大，意味著效率會(huì)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(shí)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

5.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(cè)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(dòng)所控制的繼電器，這樣就能控制使得過流情況下電流斷路。

6.功率校正電路

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(huì)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

7.總結(jié)

開關(guān)電源和逆變電源在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)大范圍的使用了，我們所設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)物后，仍要反復(fù)試驗(yàn)，從而提高效率。盡管如此但是本設(shè)計(jì)還存在其缺陷，那就是效率問題，效率要想更加好必須對(duì)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(shí)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013．

[2]閆亮,許宜申,陶智,張?chǎng)?婁霞,顧輝輝．基于TL494的微型車載逆變器設(shè)計(jì)[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(jì)[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(jì)[J]．無線電工程,2015．