车载逆变电源的研究与设计

张波　梁凡

[摘 要]车载逆变电源使有车生活更加方便。随着我国汽车普及程度的不断提高，车载逆变电源的市场会越来越大。文章设计的逆变电源由两部分组成：前一部分把汽车电瓶上12V的直流电逆变成220V、频率10KHz左右的交流电，后一部分再通过交直交变频得到50Hz的220V交流电，供普通交流电源供电设备使用。该款逆变电源性能稳定，结构简单，效率高，成本优势明显。

[关键词]高频逆变；交直交变频；集成控制器；车载电源

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.071

1 引 言

车载逆变电源作用是把汽车蓄电池12V或24V的直流电转变为50Hz的交流电，得到的交流电可以给笔记本电脑、数码摄像机、普通照明灯、平板电脑、电动工具、车载冰箱等使用220V交流电源的用电设备供电。车载逆变电源在国外普遍受到欢迎。中国已成为世界上汽车产销量第一大国，随着我国汽车普及程度的逐渐提高，车载逆变电源的市场会越来越巨大。

2 总体设计

车载逆变电源设计主要有两点，一个是把蓄电池电压提升至220V，另一个就是频率要为50Hz。把12V的电压提到220V，采用升压斩波电路进行。采用升压斩波电路即Boost电路来实现，由于出电压比输入电压高出很多，升压倍数约为18。由Boost电路工作原理易知，占空比约为0.95，理论上可行，但Boost电路实际中难以实现[1]，所以要升压就要借助变压器来实现。变压器如果采用工频变压器，输出同样功率的情况下，体积和重量会比高频变压器大出很多，是人们不能接受的。因此要采用高频变压器，采用高频变换电路。借助高频变压器实现12V的电压变为220V的电压，输出频率必然也是高频。高频的220V交流电，很多我们使用的220V市电供电的用电设备不能直接使用。要再进一步变换，把高频直流电源变换成50Hz的交流电。从总体结构上来说，设计的电路共有两部分：前一部分借助高频变压器和相就的变换电路把12V直流电变为220V的高频交流电，后一部分把高频的220V交流电变换为50Hz的220V交流电。

输入为12V低压输入，输出功率大时输入电流会很大，属低压较大电流输入。全桥式变换电路回路中有两个功率管，而半桥式回路是一半电压对应一个功率管，对推挽式逆变电路回路中功率开关管只有一个，相比较而言，可以减少功耗[2]。后一部分输入的电压本身比较高，而全桥逆变电路可以实现比较大的功率输出。因此电路设计前一部分采用推挽逆变电路，后一部分采用全桥逆变电路。推挽变换电路输出的高频220V经高频二极管整流滤波后得到直流电，再经全桥逆变电路得到50Hz的220V的交流电。

3 推挽逆变部分

该部分功能为把蓄电池12V直流输出变为高压220V输出，频率为10KHz，属高频输出。推挽式变换电路主要由两个开关管Q1、Q2，变压器T1构成。开关管Q1、Q2正负半周交替通断工作。中心抽头把变器原边对称地分为两半。正半周期开关管Q1导通，Q2关断，12V蓄电池，变压器原边的一半和Q1构成回路；负半周期开关管Q2导通，Q1关断，12V蓄电池，变压器原边的另一半和Q2构成回路。正负半周流过变压器原边的电流方向相反，变压器副边得到交流电[3]。这里采用的变压器副边匝数等于原边匝数的好多倍，所以输出电压高。逆变输出的交流电频率主要取决于开关管工作频率。如前所叙述，为了减少变压器的重量和体积，采用高频变压器，开关管工作频相对比较高。推挽逆变电路部分如图1所示。

推挽逆变的控制驱动以SG3525为核心。 SG3525是专用的集成电压型的PWM控制器。图1推挽逆变电路中芯片1脚，2脚对应一误放大器同向输入端和反向输入端，两脚电压差比较大，输出PWM占空比最大[4]，同样条件下，逆变电路输出电压也最大。5脚，6脚外接电阻电容大小决定了芯片输出PWM信号频率也就决定了推挽逆变器工作频率。11 脚和14脚输出两波形一样而相位相差180°的PWM信号，分别通过R6、R7驱动Q1和Q2。

4 整流与全桥逆变部分

整流与全桥逆变部分也即交直交变频部分。该部分功能为把前一部分220V高频输出转变成频率50Hz的220V的交流电。电路如图2所示。220V的高频交流电经二极管VD1-VD4构成的桥式整流电路整流滤变为直流电后再经过四个功率管VT1-VT4逆变后得到220V，50Hz交流电。控制以TL494为核心。芯片5脚6脚接的电阻电容决定了其输出PWM信号的频率也就决定了逆变电路输出频率，5脚6脚接的电阻电容选择恰当的值就可以让逆变电路输出频率为50Hz。1脚、2脚对应于一误差放大器同向输入端和反向输入端，15脚、16脚对应于另一误差放大器。两误差放大器反向输出端接14脚获得比较高的电压，而同输入端接地，这样输出的PWM信号占空比最大。8脚和11脚为PWM信号输出端，互补输出，即相位相差180°。8脚的输出控制VT1和VT3，11脚的输出控制VT2和VT4。8脚和9脚分别是芯片内部集成的开关三极管的集电极和射极8脚输出是低电位时，VT3不导通，Q11也不导通，蓄电池12V电压通过VD5，R4和R1让VT1导通；8脚输出高电位时，通过R7使VT3导通，同时易知Q11也导通，把VT1栅极电位拉低，VT1截止。11脚的输出驱动控制VT2和VT4工作过程和8脚输出驱动控制VT1和VT3相同，只是8脚和11脚输出的PWM相位上相差180°。

TL494也是常用的电压型脉宽调制集成控制器。其内部主要集成了线性锯齿波振荡器，两个误差放大器，死区时间比较器，PWM比较器，基准电压源，触发器等，共有16个引脚。线性锯齿波振荡器的振荡频率由5脚、6脚上外接的电阻电容来决定。两个误差放大器在这里地位是一样的，它们的输出分别经过一个二极管送到PWM比较器的同向输入端，与加在PWM比较器反向输入端的线性锯齿波做比较，产生PWM信号。3脚是两误差放大器的输出端，也是PWM比较器同向输入端；脉冲宽度的调节可以通过3脚上的电压来控制，也可分别通过误差放大器进行调节[5]。13端为输出控制端，当其接低电平时，两管子工作情况相同，当其接高电平时两管子推挽输出。TL494内部还有一个基准电压源，通过14脚为其在应用时提供5.0V的基准电压。芯片的4脚为死区控制引脚，可用来限定芯片输出PWM的最大占空比。利用此功能，引入反馈信号至引脚上可以限定全桥逆变电路的最大输出电压，图2中未画出该部分。

5 结 论

经实践可知，该款逆变电源性能稳定，结构简单，效率高，成本优势明显，可使有车生活更加方便。不足之处在于它的输出不是正弦波，输出电压会受输入电压影响，在220V左右一定范围内波动。

参考文献：

[1]侯振义，夏峥，柏雪倩，等.直流开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2]闫福军，梁永春.一种光伏发电系统中辅助电源设计[J].电力电子技术，2010，44（8），14-16.

[3]陈德康.脉宽调制器UC3842在开关电源中的应用[J].西南科技大学学报，2005，20（2）：27-30.

[4]付瑶，谭智力，于珊.基于SG3525 控制的车载逆变电源设计[J].中国测试，2015，41（1）：77-80.

[5]张波.基于TL494的直流变换器[J].电子与封装，2010，10（12）：23-26.