一种车载纯正弦波微型逆变器设计

陆忠芳 康奋威科技（杭州）有限公司 浙江杭州 310051



一种车载纯正弦波微型逆变器设计

陆忠芳 康奋威科技（杭州）有限公司 浙江杭州 310051

【文章摘要】

车载纯正弦波逆变器已经存在于高档进口汽车中，方便用户生活。该设计实现一种车载纯正弦波微型逆变器，功率为150W，输电压220VAC（纯正弦波）， 频率50HZ，适合于汽车前装市场。系统采用两级完成逆变，前级升压，后级逆变（SPWM控制），纯正弦波输出。设计特点：高压电解电容不发烫，适合全封闭外壳，无风扇，可靠性高，寿命长。

【关键词】

车载；纯正弦波；逆变器；SPWM；H桥

1　系统框图及介绍

系统设计的主要参数，输入电压12V系统，输入电流15A， 输出电压220VAC（纯正弦波）， 频率50Hz。系统主要包括升压电路，逆变电路，以及升压控制板，逆变控制板，辅助供电等。其中升压电路和升压控制板共同完成升压功能，逆变控制板和逆变电路共同完成逆变功能。系统的整体框图如 图1 所示。

2　系统设计及实现

2.1升压电路

升压电路，实际是一个DC-DC电路，完成低压到高压的转换。这里的低压指汽车电瓶浮充电压，主要为电压范围13.8V～14.7V，但考虑汽车运行过程中发动机功率输出变化对充电电压的影响，适当提高设计的适应能力，输入电压选择11.5V～15.5V。输出高压用于逆变前端输入电压，所以需要高于220VAC的整流直流最高电压311V，这里设计范围为320V～435V。

升压设计采用推挽正激变换拓扑，按照输入与输出电压比值，变压器前后级匝比为1∶28，工作频率设计50kHz，输出功率150W，再根据磁芯AP公式及密闭空间留有余量，磁芯选择EE41。这里使用推挽设计，主要是提高磁芯的利用率，磁芯使用在第一和第三象限，为防止磁偏，控制推挽单颗MOS管最大占空比不要大于45%。

升压电路的一个特点是输出高压为开环设计，只保留高压限压保护设计。这样的设计使得输出高压在一定范围变动，长时间不稳定，短时间稳定。设计考量：高压电容C1为前后级能量的缓冲池，容量为68 uf，耐压为450V，考虑成本和体积，选择小型化的高频长寿命电解电容比较合适；电解电容纹波大，发热大；工程上，电解电容温度每升高10℃，寿命降低一半；如果按稳压闭环设计，虽然电压稳定，但高频纹波大，发热大，电解电容降低寿命，甚至长时间工作需要检测电容温度，并实施保护；开环非稳压设计，高频纹波小，电容发热小，但是对后级逆变提出了较高要求。

2.2升压控制板

升压控制板，通过控制升压电路，完成升压功能。升压板包括推挽的控制，这里主要指对MOS管Q5，Q6的驱动控制，本设计选用SG2525芯片。升压电路其它功能还包括输入保护，指示灯控制，温度检测，高压限压保护等功能，为了灵活实现这些功能，可以选用一颗低成本的单片机实现，本设计选用PIC12F510，是 MICROCHIP公司的单片机产品，内置ADC。升压电路的供电由汽车点火线供电产生，防止汽车电瓶亏电，造成无法启动。

2.3逆变电路

逆变电路就是一个DC-AC电路，包括H桥，低通滤波，电流检测等。

逆变功能主要由H桥和低通滤波实现，具体方法：将高压直流电平通过SPWM控制，变成高频输出（内含50Hz的220VAC电平），再通过低通滤波，将高频滤掉，输出50Hz的220VAC电平。这里采用上桥臂高频控制，下桥臂低频控制的方式。上桥臂的控制频率为22kHz，略高于人耳可以听到的频率，避免噪声。下桥臂的控制频率为50Hz。

一个输出正弦波的过程如下：

（1）初始条件：高压VH正常 ，MOS 管Q1， Q2， Q3， Q4都关闭；

（2）MOS管Q3导通，MOS管Q2通过调制的SPWM控制（含50Hz正弦波信息），H桥输出高频的高压电平，经过低通滤波（L1C2），VOUT输出正弦波的上半波；

（3）MOS管Q2关闭；MOS管Q3关闭；

（4）等待一定时间，即过零点或死区；

（5）MOS管Q4导通，MOS管Q1通过调制的SPWM控制（含50Hz正弦波信息），H桥输出高频的高压电平，经过低通滤波（L1C2），VOUT输出正弦波的下半波；

（6）MOS管Q1关闭；MOS管Q4关闭；等待一定时间；

（7）重复（2）～（6）；

这样，就形成了50Hz的正弦波输出。

低通滤波选择约800Hz的转折频率，过滤高频。因为L1C2频谱上有个极点，选择ESR较大的电容可以消除这个极点，甚至可以考虑串联电阻。

2.4逆变控制板

逆变控制板集成逆变控制主芯片（生成SPWM信号），H桥驱动芯片，过流检测，错误报警等功能。

其中H桥的驱动芯片选用仙童的FAN7384，两片分别控制两个半桥。由于上桥臂的控制由自举电容供电，电容需及时充电，所以上桥臂使用高频控制。

主控芯片采用DSPIC33FJ12MC201 主要负责SPWM的生成。DSPIC33FJ12MC201 是MICROCHIP公司的产品，内置乘法器和ADC，这是一颗高端单片机。这里选择带乘法器单片机，主要是因为输入高压是变动的，生成SPWM需要实时计算，并且计算频率满足22kHz的频率，对计算能力要求高。

过流检测是通过电流检测电阻，经过运放放大，滤波，AD采样实现。实现两级保护，分别是短路保护和过流保护，设计不同的阈值和不同的响应时间。

错误报警可以通过光耦向前级传递信号。2.5 辅助供电及其它设计

辅助供电可以在推挽变压器上绕辅助绕组，实现后级控制板的供电，稳定电平可以使用LDO芯片稳压。

图1　逆变器系统结构图

3　结语

本设计实现一种车载微型逆变器的设计，效率约为92%。可以通过变压器的优化设计，整流管的优选，提高性能。需要说明，所选择的芯片仅作为一种参考，希望给读者一个思路或一点启发，目的就达到了。

【参考文献】

［1］孙肖子，张企民编著 模拟电子技术基础［M］西安：西安电子科技大学出版社，2001.

【作者简介】

陆忠芳（1983.11-），男，浙江杭州人，康奋威科技（杭州）有限公司助理工程师，研究方向：电源技术，电子技术