基于TL494的正弦逆變電路設計

張德樹,劉 青,宮 強,王 軍,謝家安

(1.滁州職業技術學院 信息工程學院,安徽 滁州 239000; 2.安徽中認倍佳科技有限公司,安徽 滁州 239000)

將直流電轉換成交流電的過程叫逆變。逆變電路(逆變器)可為市電非直供場所提供所需的交流電,如汽車、UPS、醫療等,更為光伏發電、風力發電擔供了物理基礎[1]。

逆變器按輸出的波形主要分為兩大類:方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器輸出的方波電流中包含的大量的高次諧波成分,尤其零序三次諧波幅值較大,不適合帶感性負載。正弦波逆變器分為近似正弦波逆變器和純正弦波逆變器。近似正弦波逆變器輸出電壓波形近似正弦,可以滿足我們絕大部分用電需求。

一、電路設計方案

電路由輸入過壓保護、過熱保護、逆變I、220V/30KHz整流濾波、逆變II、輸出過壓保護等組成。逆變I和逆變II都是采用一只TL494芯片組成控制電路,逆變I電路是將12VDC通過高頻PWM技術轉換成約30KHz 220V AC,再經整流、濾波后變換為直流電,最后經過逆變II轉換成50Hz 220VAC。電路組成框圖見圖1。

二、TL494芯片

(一)TL494內部結構、引腳功能

TL494是一種高性能固定頻率的脈寬調制控制器,它包含了逆變器控制所需的全部功能,被廣泛地應用于半橋式、全橋式開關電源[2]。TL494芯片內部電路包括振蕩器、兩個誤差比較器、5VDC基準電源、死區時間比較器、欠壓封鎖電路、PWM比較器、輸出電路等。TL494芯片的引腳及芯片內部組成電路框圖分別見圖2和圖3[3]。

圖2 TL494引腳圖

圖3 TL494內部電路圖

(二) TL494工作原理

1． 振蕩器

2． 死區時間比較器

作用是調整死區時間,通過0～4VDC電壓來調整輸出驅動信號的占空比來實現。當4腳電壓升高,D 觸發器CK端高電平的時間加寬,經過反相,使Q1和Q2基極為低電平而截止。4腳電位越高,死區時間越寬,輸出驅動信號的占空比越小。芯片內部預加了0.12VDC,使死區時間最小不能小于4%,單管工作時最大占空比96%,推挽輸出時最大占空比為48%,波形見圖4。

圖4 TL494脈沖控制波形圖

3．PWM比較器

作用與IC的4腳控制作用類似,通過IC內部兩個誤差放大器的輸出信號與TL494的3腳輸入電壓來調整輸出驅動信號的占空比。若PWM比較器輸入(誤差放大器輸出)電壓升高,輸出控制信號占空比變小;反之,占空比增加,實現反饋的PWM調節。若TL494的3腳電壓加到3.5VDC,占空比達到0.0%。

芯片3腳為輸出信號脈寬調制器的反饋補償的控制端,作用于誤差信號放大器的輸出對信號的最高反饋電壓進行補償,最高的補償反饋電壓為4.5 V[5],波形見圖4。

4．誤差放大器

作用是電源電壓反饋和過流保護。反饋信號經比較器比較后的輸出信號,與振蕩器輸出的鋸齒波送PWM比較器比較,進行PWM調節。

5．欠壓保護電路

當Vcc低于4.9V,或者內部基準電源低于3.5VDC時,CK端被鉗位為高電平,從而使輸出的兩個晶體管截止,達到保護作用。

6．輸出電路

三、逆變電路設計

(一)逆變原理

逆變I主電路采用帶中心抽頭變壓器的逆變電路,電路原理見圖5:

圖5 帶中心抽頭變壓器的逆變電路

V1為通態,V2為斷態,變壓器原邊電壓2正1負(3正2負),電流向左逐漸上升。副邊電壓5正4負。負載電壓左負右正,大小為Ud。

給V1關斷信號,給V2開通信號,由于感性負載中電流IO不能立即改變方向,變壓器原邊感應出3負2正(1正2負)的電壓,此時VD2續流,電流變小。副邊電壓5負4正,負載電壓左正右負,大小為Ud。

當負載電流減小為零,VD2截止,V2導通,負載電流改變方向后向右,變壓器原邊2正3負(1正2負),電流向右逐漸變大。負載電壓左正右負,大小為Ud。

給V2關斷信號,給V1開通信號,由于感性負載中電流IO不能立即改變方向,變壓器原邊感應出2負3正(1正2負)的電壓,此時VD1續流,電流變小。

逆變II主電路采用電壓型單相全橋逆變電路,兩對橋臂交替導通180°,電路原理圖及工作波形見圖6。

圖6 全橋逆變電路

t1時前:V1,V 4同時導通,輸出電壓為Ud,電感充能,IO向右逐漸上升。

t1時刻:V3,V4驅動信號反向,V4關斷,由于電感儲能作用,V3不能立即開通,VD3續流,IO向右逐漸下降,輸出電壓為0。

t2時刻:V1,V2柵極信號反向,V1截止,V2不導通,VD2續流,VD2,VD3為導電通路,IO向右逐漸下降,輸出電壓為-Ud。負載電流過零后,并開始反向時,VD2,VD3截止,V2,V3導通,電感充能,IO向左逐漸上升,輸出電壓仍為-Ud。

t3時刻:V3,V4驅動信號再次反向,V3關斷,V4不能立即開通,VD4續流,IO向左逐漸下降,輸出電壓為0。

若是感性負載,負載的電流波形近似正弦波;若是阻性負載,則負載電流波形與負載電壓波形相似。

(二) 逆變I驅動信號產生電路及過熱保護電路

圖7 逆變I驅動信號產生電路及過熱保護電路

(三) 逆變II驅動信號產生電路

圖8 逆變II驅動信號產生電路

(四) DC/DC 變換電路

圖9中VT1、VT2、VT3、VT4、高頻變壓器T1、整流二極管VD5、VD6、VD7、VD8、濾波電容C12及周圍相關元件構成DC/DC 變換電路。VT1和VT3的基極分別接IC1內置的Q1和Q2發射極E2和E1。高頻變壓器T1的作用是將12V脈沖電壓轉變為220V脈沖電壓。經整流濾波電路變成約220V直流電壓。

圖9 逆變器總電路原理圖

電路工作于推挽狀態,IC1內置的Q1和Q2交替導通,使VT1、VT3的交替導通,VT2和VT4以頻率為30KHz 交替導通,變壓器工作在推挽狀態,使變壓器的初級輸入端有30KHz的交流電。

當VT1飽和導通時,場效應管VT2因為柵極無正偏壓而截止,而此時VT3截止,導致場效應管VT4柵極有正偏壓而導通。且交替導通時其峰值電壓為12V,即產生了12V/30KHz的交流電。

R9、R10、R11起限流作用,取值為4.7KΩ。濾波電容C5取2200μF/25V。T1可選用200W的EI33型高頻鐵氧體磁心變壓器,工作頻率約30KHz左右,初級繞組采用直徑1.2mm的漆包線,兩根并繞2×20匝,次級繞組采用0.8mm漆包線繞380匝,電壓變比12V/220V;引腳結構形式:3入2出式。

(五) 輸入過壓保護電路

輸入過壓保護電路由圖9中IC1的1腳和3腳外圍的DZ1、R5、R6、R8、C2、C3、VD1、VD4等元件組成。若輸入電壓過大,穩壓管DZ1被擊穿,VD1導通,輸入電壓向C2充電,IC1的1腳維持一段時間低電平狀態。C2充電結束后又通過R6放電,當C2放電結束時,IC1的1腳由低電平翻轉為高電平,使IC1的3腳為高電平狀態,導致TL494芯片內部的PWM比較器、或門、或非門的輸出均發生翻轉,IC1內置晶體管Q1和Q2均轉為截止狀態,直流變換電路停止工作。同時IC2的的4腳為高電平狀態,抬高死區時間比較器同相輸入端的電位,芯片內置的Q1和Q2截止,停止后繼電路的工作。

DZ1的穩壓值決定了該保護電路的啟動門限電壓值。穩壓管的穩壓值一般為輸入電壓的1～1.2倍。若輸入電壓為12VDC,將DZ1的穩壓值選為14V左右較為合適。R5取為100KΩ,R6、R8均取為4.7KΩ,C2、C3均取為47μF。

(六) 輸出過壓保護電路

(七) DC/AC變換電路

DC/AC變換電路由圖9中VT5、VT6、VT7、VT8、VT9、VT10及其周圍元件組成。采用全橋逆變形式,由于不需要變壓器升高或降低電壓而是直接向負載供電,使得逆變器的體積可以減小[6]。VT5、VT8以頻率為50Hz交替工作。

因為IC2工作于推挽狀態,當IC2的11腳輸出低電平8腳輸出高電平:VT5截止,VT6的柵極接12V電壓導通。VT7截止,UO的上端接220VDC。同時VT8飽和導通,VT9截止。因為VT10柵極接IC2的8腳高電平而導通,使UO的下端接地,此過程使逆變電路的輸出端得到上正下負220VAC的正半周交流電;

當IC2的11腳輸出高電平8腳輸出低電平:VT5的基極接IC2的11腳輸出高電平飽和導通,VT6的柵極為低電平而截止。VT7導通,UO的上端接地。同時VT8截止,VT9導通。因為VT10柵極接IC2的8腳低電平而截止,使UO的下端接220VDC,此過程使逆變電路的輸出端得到上負下正220VAC的負半周交流電;C13、C15和C14均為平滑輸出的吸收電容。由于TL494芯片II的11腳和8腳輸出的方波控制信號以頻率為50Hz而交替出現,電路輸出220V/50Hz ACV。

晶體管VT5、VT8選擇KSP14,場效應管VT6、VT7、VT9和VT10選擇IRF740型。C13和C15取10μF,C14取0.01μF,電路見圖9。

四、電路調試

按圖9組裝逆變電路后,接通12VDC,LED指示燈亮電路工作正常。逆變I驅動信號產生電路輸出的兩路驅動信號波形見圖10。

圖10 逆變I驅動電路輸出信號

逆變II驅動信號產生電路輸出的兩路驅動信號波形見圖11。

圖11 逆變II驅動電路輸出信號

UO端輸出電壓通過示波器探頭10倍衰減后示波器,輸出的波形見圖12,其電壓有效值約為220伏。

圖12 輸出電壓經10倍衰減后的波形

五、結束語

結合TL494芯片內部電路組成及工作原理,利用兩片TL494設計驅動控制電路,同時設計DC/DC電路、DC/AC電路、輸入輸出反饋保護電路等。經過電路各參數計算及元件選擇,并完成了組裝與調試,功能正常,實踐證明利用本文所介紹的基于TL494的逆變電源設計方案是可行。