一种基于TVS管的车载逆变电源设计

崔保春+王立鹏+文迪+马思远+刘孟茹+刘小朋

摘 要： 针对车载逆变电源在充电过程中可能会发生的瞬变过电压现象，设计了一款基于TVS的小型车载逆变电源。该逆变电源前级采用DC?DC推挽正激电路将12 V直流小电压升压为360 V左右的直流高压，后级采用DC?AC全桥逆变电路将输入的直流高压逆变为220 V/50 Hz正弦交流电压。整个电路由主电路、控制电路、检测电路、辅助电路组成。介绍了车载逆变电源的工作原理，研究了TVS管结合推挽正激电路在抑制浪涌现象发挥的作用，提出了使用TVS管结合该逆变器进行保护的方案。同时，利用saber仿真软件对输出电压进行仿真和比较，并搭载了实验模型进行验证， 对车载逆变电源实施了有效的保护。

关键词： 车载逆变器； 变压器； TVS； saber； 波形计算器； PWM

中图分类号： TN86?34； TD86 文献标识码： A 文章編号： 1004?373X（2018）02?0095?04

Abstract： In view of the possible transient overvoltage phenomenon during the recharging of vehicle?mounted inversive power supply， a small vehicle?mounted inversive power supply based on TVS diode was designed. The DC?DC push?pull forward circuit is adopted at the first stage of the inverter power supply to make the low DC voltage of 12 V rise to the high DC voltage of about 360 V. The DC?AC full?bridge inverter circuit is adopoted at the second stage to make the input high DC voltage inverted to the sinusoidal AC voltage of 220 V/50 Hz. The whole circuit is constituted of main circuit， control circuit， detection circuit and auxiliary circuit. The working principle of the vehicle?mounted inverter power supply is introduced. The effect of TVS diode combined with push?pull forward circuit on surge suppression is researched. A protection scheme of using TVS diode combined with the inverter is proposed. The Saber simulation software is adopted for simulation and comparison of the output voltage. The experimental model is built for verification. The vehicle?mounted inverter power supply is effectively protected.

Keywords： vehicle?mounted inverter； transformer； TVS； saber； waveform calculator； PWM

随着时代的进步和发展，私家车普及率越来越高。人们在开车工作学习旅游的同时，离不开很多实用的电子产品，比如手机、电脑、车载冰箱、车载电视等。但是这些设备只能由交流电源供电，而汽车的蓄电池只能提供12 V直流电，因此，车载逆变电源作为在移动中使用的直流变交流的转换器，会给我们的生活带来很多的方便，是一种常备的汽车电子用品。考虑到汽车上的工作环境恶劣，发动机的抛负载以及火花电压等原因会使汽车电子产品经受高电压的冲击，非常容易损坏。因此，车载逆变器的安全性能将成为重中之重[1]。本文重点研究了TVS管在推挽正激电路上的应用，并进行了仿真和实验，效果良好。

1 DC?DC变换电路

1.1 推挽正激原理

推挽正激式DC?DC直流升压变换适合由低压直流向高压直流的转换，具有效率高、电磁干扰小、可靠性高等优点。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，鉴于此，该设计采用推挽正激直流升压电路[2]。

图1为推挽正激电路原理图。在变压器原边，由两个开关管Q1，Q2，两个原边绕组N1，N2，和串联于两个开关管之间的一个嵌位电容C1组成。线圈两端接开关管Q1，Q2，触发信号由TL494i提供用来控制两个开关管Q1和Q2的交替导通，在变压器副边，由全桥整流电路和RLC滤波电路组成。全桥整流电路的优点是二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，而且变压器的绕组结构比较简单。工作原理是：变压器副边电压U1为正半周时，对D1，D4加正向电压，D1，D4导通；对D2，D3加反向电压，D2，D3截止。电路中构成U1，D1，D4以及负载的通电回路，形成上正下负的半波整流电压；U1为负半周时，对D2，D3加正向电压，D2，D3导通；对D1，D4加反向电压，D1，D4截止。电路中构成U1，D1，D4以及负载的通电回路，形成上正下负的另外半波的整流电压。两个开关管Q1，Q2在TL494i发出的PWM方波信号的控制下交替导通和截止，在绕组N1和N2两端分别形成相位相反的交流电压。当开关管关断时，由于存在漏感，其中漏感的能量是由嵌位电容来释放，因此可以降低开关管上的电压尖峰。12 V直流输入电压经变压器升压得到方波电压，再经过整流滤波得到需要的直流电压[3]。endprint

1.2 变压器设计

PWM控制芯片为TL494i，输出频率为20 kHz，为了防止直通，占空比的最大值，原副边匝数计算公式如下：

本设计采取220 V正弦波交流供电，其最高电压即正弦波的幅值，所以，输出直流电压大于311 V就可以了，在此设输出电压为360 V，即，输入电压范围是9.8～15 V，为了满足在输入电压最小为9.8 V时输出电压达到360 V下系统工作正常，原边匝数与副边匝数之比计算公式为：

取整数，n0=40，所以副边匝数[4]

2 DC?AC部分

逆变电路是逆变电源的核心部分。逆变电路结构形式主要有半桥式和全桥式两种。半桥型逆变电路虽然电路结构简单，但电压利用率低，交流输出的电压幅值仅为直流输出电压的一半，要输出同等功率大小的电能，主变压器原边的电流要加大一倍，以弥补电压利用率的不足。考虑到全桥式逆变电路带负载能力强，本系统采用全桥式逆变电路[5]。

单相电压型全桥逆变电路如图2所示。它可以看作由两个半桥电路组合而成，共有4个开关管。4个开关管组成了两对桥臂，Q1和Q4一对，Q2和Q3为另外一对。互为对角的两个开关管同时导通，而同一侧半桥上下两开关管交替导通，即Q1和Q2，Q3和Q4轮流导通， 当开关Q1，Q4闭合，Q2，Q3断开，uo=Ud； 开关Q1，Q4断开，Q2，Q3闭合；uo=-Ud；则在负载电阻上获得交变电压波形（正负交替的方波），这样，就将直流电压逆变成交流电压，选择脉宽调制（PWM）控制芯片TL494i来控制开关的占空比，从而改变整流电压的平均值，也就是改变了输出电压。

通过上述方案利用saber仿真软件进行仿真，仿真波形如图3所示。

由图3可以看出输出电压在1 ms内上升到300 V，并按指数规律衰减后趋于正常，这就是浪涌电压。半导体元件对浪涌电压是很敏感的，如果浪涌电压过高超过了车载逆变设备的承受能力，元件就会损坏，这个设备的寿命就会大大降低。为了保护车载逆变电源在浪涌电压作用下不会失效，本设计采用TVS管（瞬变电压抑制二极管）进行保护，当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，电压抑制二极管能以极高的速度，使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

3 TVS管的工作原理及选型标准

3.1 TVS管工作原理

TVS管是一种保护敏感元器件免受静电释放（ESD）和电磁干扰（EMI）浪涌脉冲的有效、低成本的器件。单相型TVS管的正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态峰值脉冲电流作用下，TVS 两极间的电压由额定反向关断电压VRWM（TVS管最大连续工作的直流或脉冲电压）上升到击穿电压VB而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS管两极间的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，这就是TVS抑制浪涌电压，保护电子元器件的整个过程。

3.2 TVS管的选型标准

TVS管的选择主要参考以下三点：

1） TVS额定反向关断电压RWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的RWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。

2） TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

3） 根据用途选用TVS的极性及封装结构。直流电路选用单极性TVS较为合理，交流电路选用双极性TVS较为合理[6]。

结合以上三点，本设计采用硕凯公司1.5KE系列的TVS二极管1.5KE?400A，其最大耗散功率1 500 W，箝位额定电压400 V，符合设计要求。本设计加入了TVS管来对电路进行保护，如图4所示。

由图4可知，变压器输入侧有两个TVS管分别并联在两个二极管旁侧，在变压器输出侧，TVS并联在电容旁侧。当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS管发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，瞬时电流通过TVS管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束后，TVS管自动恢复高阻状态，整个回路进入正常电压。如果尖峰电压没有达到TVS的钳位值，TVS不会导通，所以TVS管工作效率较高，既保护了电路元件不会发生损坏，又保证了后级全桥逆变电路的可靠运行，从而抑制了升压后出现的瞬变过电压现象，保护了电子设备。再次用saber仿真，输出的电压波形如图5、图6所示。

由图5可知，DC?DC电路最终完成了稳定输出360 V直流电压的任务，没有出现瞬时过电压。针对后级全桥逆变笔者利用saber软件自带的波形计算器功能把负载两端电压相减或者直接在仿真图上差分放大[7]。由图6可知，看到瞬变过电压降到200 V以下，在半导体元件可承受范围内，逆变器输出电压为220 V左右，波形平稳光滑，并且是按正弦周期变化的，符合设计要求。

4 实验结果

依据上述方案设计制作了车载逆变电源，如图7所示。利用数字示波器测量输出电压波形，如图8所示。逆变器输出电压为220 V左右，频率为50 Hz左右，电压波形平滑，谐波失真小，抗干扰能力强，大幅度提高了整机应用的稳定性和可靠性。

5 结 语

本文设计一款基于TVS的车载逆变电源，包括推挽正激DC?DC和全桥逆变DC?AC两级拓扑结构。由于采用了TVS管，使得电路可靠性提高，稳定性好，并具有良好的转换效率。同时也解决了车载逆变电源日常供电的安全问题。经实际运行测试，该逆变器可有效吸收瞬变过电压，满足一般电器的车载用电需求，有较强的应用价值和安全性能[8]。但是本文只结合前级DC?DC电路进行TVS管保护性能的研究[9]，没有涉及后级DC?AC电路，因此，TVS管結合车载逆变电源的研究还需要更全面更细致的工作，使车载逆变电源变得更加安全和稳定。endprint

注：本文通讯作者为王立鹏。

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