TL494正弦波逆变电源设计.doc

1. TL494正弦波逆变电源设计1.1 概述： TL494本身就是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管室、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。次课程设计我所设计的是TL494正弦波逆变电路，其电路的主要功能是： 1）逆变就是将直流变为交流。由波形发生器产生50Hz、幅度可变的正弦波，与锯齿波比较后，再通过PWM电路，输出SPWM波，经过驱动电路逆变电路，再经过高频变压器与滤波电路输出50Hz的正弦波。 2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：高频逆变电路、滤波环节。控制电路主要环节：正弦信号发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。 3）功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。 4）系统具有完善的保护 这是本次课程设计中要设计的电路的概况，其实总的来说用TL494为主要元件实现的正弦波逆变电路控制器具有构思新颖、电路简单、成本低廉以及控制过程稳定等特点，在很多工业控制场合可获得广泛的应用。1.2 系统总体方案的确定： 通过对设计内容和设计要求的具体分析，我把电路分别设计成两部分：一是主电路，即是采用高频逆变电路和高频变压器的组合来实现，其中的滤波电路则是采用的线路滤波的方式，高频逆变电路由于其要求的特殊性我采用了电压型半桥逆变电路和高频开关IGBT相连接的方法，并且和高频变压器的组合可以高效的实现直流电向交流电的逆变过程。 第二部分控制电路，当然是采用集成芯片TL494来实现，主要原因在于主电路的电流逆变过程中控制电路各单元的复杂性，而TL494本身包含了开关电路控制所需的全部功能和全部脉宽调制电路，同时片内置有线性误差放大器和其他驱动电路等，因此便可以同时实现：正弦信号发生单元、脉宽调制PWM单元、电压电流检测单元和驱动电路单元。 这样就完全确定了系统总体电路的方案。如图1.2.1框图：1.3总电路图的设计如图1.3.1： 总体电路图的设计主要还是依据任务书上的设计要求和设计内容，其中高频逆变电路的设计主要是采用电压型半桥式逆变电路，由于其只含有两个高频IGBT开关，输出电压波形是矩形波，输出电流波形近似为正弦波,本次TL494正弦波逆变电路的设计中最重要的两个部分是高频逆变电路和控制电路，高频逆变电路我是采用了电压型半桥式逆变电路，区中含有两个高频开关IGBT，可有效地实现高频转换，而控制电路则是采用TL494的集成芯片来完成的，由于七内部包含了开关电源控制所需的全部功能，因此便可以简单、高效地实现对高频逆变电路的控制同时还可以有效地保护电路，因为其自身带有电压、电流保护装置。因此只要将测量的电压电流直接连接其输入端即可，最后再经过高频变压器的文雅和线路滤波，便可以实现对整体电路的最终要求。1.4电路设计元件计算与选用： 本次设计的TL494正弦波逆变电路中，最重要的就是高频开关IGBT的选用，根据电路设计的主要参数：1） 输入输出电压：输入（DC）+50V、输出36V（AC）2） 输出电流：1A3） 电压调整率：1%4） 负载调整率：1%5） 效率：0.8因此，管子电压直流DC50V经过半桥式逆变电路，加至逆变桥的电压U约为100V，考虑余量通常选用600V等级的IGBT管，通常模块结构的IGBT，其电压等级为600V、1200V、1700V三种。 管子的电流：由于IGBT管较多工作于脉冲调制状态，计算有效电流值较困难，器件的高频开关损耗又与工作频率和电路缓冲等结构有关。IGBT管标定的电流等级是集电极连续电流Ic，没有考虑重复开关的损耗，工程计算是以实际流过管子的最大峰值电流（瞬时过流电流不考虑）在考虑2杯左右裕量来选择。以本装置为例，输出电流为100A，高频整流变压器电压比为5.3：1，变压器一次电流即IGBT管峰值电流约为1A/5.3=0.19A,考虑开关损耗和裕量选25A的管子。 1.5单元控制电路的设计1.5.1主电路图：主电路图主要指的就是高频逆变电路，我所采用的是电压型半桥式电路。其中包含有逆变电路、高频变压器、滤波环节。电压型逆变的特点是输出电压矩形波，输出电流近似正弦，如图1.31、如图1.32、如图1.33所示： 当IGBT二管均不出发截止时，通过电容C1/C2分压，电容二端均为1/2U。当IGBT1管出发导通时，U经IGBT1管VT1，高频变压器一次侧对C2充电，C1上电压通过VT1管对变压器放电；VT2管导通VT1关断时，U经VT2，变压器对C1充电，C2通过VT2管对变压器放电，如图1.31所示，由于C1/C2电容量大，器件交替触发通断频率高，电容两端电压可看成不变均为1/2U。 从理想状态分析，逆变器输出电压波形为交变矩形波，幅值均为1/2U，如图1.32所示。感性负载时，由于电流滞后电压，IGBT管需接反并二极管（模块内部已有），提供无功功率与续流如图1.32所示。实际工作时，由于IGBT管关断需要时间，在两管交替触发时刻会造成两管同时导通使直流电压电路，这是绝对不允许的。为此通过触发脉冲的脉宽调制控制是IGBT管导通时间小于1/2T，即出现两管均不导通的死区，通常控制脉宽占空比范围为0.850.9，这种控制方式称死区控制，此时逆变桥输出电压、电流波形： 如图1.33所示，为一周期内死区时间，则T/T0.850.9。t1时刻以导通的VT1管触发关断，由于高频变压器漏感储能作用，使变压器一次侧应出1/2U电压，极性为左正右负，因此VT1管C1E1端电压从零瞬时突跳至U，随着漏感储能的释放Ucle1电压迅速降至1/2U，在VT1管两端出现尖峰电压。t1-t2为/2,t2时刻触发VT2管导通，Ucle1稳定升至U值，t3时刻关断VT2，变压器一次侧感应左负右正电压，大小近似为1/2U，致使Ucle1瞬时降为零，待漏感能量消失后回复至1/2U,t4时刻VT1DAOTONG ,t5时刻VT1重复关断，逆变管电压电流与驱动脉冲波形如图1.34所示。1.5.2滤波环节电路图：高频装置必须考虑射频干扰（RFI）与电磁干扰(EMI)以及谐波影响，本装置在交流输入端采用线路滤波器，用于有效抑制和吸收电网出现的强脉冲对电源的干扰，同时线路滤波器具有良好的共模和公差插入损耗，有效地抑制电源产生的高频干扰信号影响电网，实现电源与电网的隔离和减少电源对周围环境的电磁干扰。同理，输出端与负载之间亦加接滤波器。1.5.3电流检测电路：电路检测单元的意义在于实现对电路的有效保护，它是稳压与过电压、过电流保护的一部分，并将直接检测到的电流信号街道TL494的芯片上，以此来对电路的电流、电压进行调节。电流检测单元的构造很简单电阻和电容分别连接到分压电容的中间和分压电阻的中间，通过变压器CT1稳压和电容滤波后输出。本次课程设计中的电压检测环节和电流检测环节其实都是有TL494集成芯片一次完成的，因此这也大大简化了电路，直接使用了TL494内部的两个放大器，通常放大器输入“负”端接基准电压，可有14脚分压供给，“正”端接开关电源的电压，电流采样信号。1.5.4控制单元电路图： TL494集成芯片是控制电路的核心，也是本次课程设计的重点，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管室、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特征：1） 集成了全部的脉宽调制电路。2） 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。3） 内置5V参考基准电压源。可调整死区时间。4）内置功率晶体管可提供500mV的驱动能力。推或拉两种输出方式。 TL494的应用集成电路包含了几乎全部的控制电路，有正弦信号发生电路、脉宽调制电路PWM、电压电流检测单元、驱动电路。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，器振荡频率如下： f(osc)=1.1/Rt*Ct输出脉冲的宽度是通过电容CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在03.3V 之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。 当比较器CT 放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1 和Q2 的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1 或Q2 取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1 和Q2 并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494 内置一个5.0V 的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA 的负载电流，在典型的070温度范围50mV 温漂条件下，该基准电压源能提供5%的精确度。在TL494正弦波逆变电路的设计中，电压电流保护环节我采用了比较来进行输入也就是先将比较器的两个输入端和电压的输入输出向连接然后再将输出连接到TL494芯片上的差分放大器的输入端这样可以更好的实现对电路的电压保护，当然电流的保护也是同理的。这样，完整的TL494控制电路就设计完成了。1.6总结与体会 经过两周的课程设计，尽管起初觉得有点难，因为很长时间以来从未接触过TL494一样的芯片，所以这一切都是很正长的。由于TL494集成度较高，各引脚的具体使用和连接方式可以说是本次课程设计的难点，但俗话说的好：“万事开头难。”，只要开个好头剩下的就好办了。 在两周的课程设计过程中，时间的紧迫的确是不可忽视的，我花了大概三天的时间冥思苦想才对总电路图的具体模型有了点头绪，然后是单元电路图和重点的控制电路，其实本次设计的难点决定不在于电路元件的组合，而是具体的设计思路，没有正确的设计思维结构作为基础，电路图的设计决定是空谈，期间我还深深地感觉到查找资料的重要性，我必须承认，尽管老师在课上已经进行了深入的讲解，可如果真正用到课程设计中时却总是有一种力不从心的感觉，因此，查找自己所需要的资料便成了关键，与此同时老师也给了我们极大的帮助。TL494的芯片虽然不多但贵在于精，这同样也帮助我解决了许多设计中的问题，使我完成设计的速度大大加快，应该说TL494脉宽调制控制电路，是现代生产过程中应用相当广泛的一种实用型电路，在设计过程中我也足见的体会到了这一点，同时也使我更加确信本次课程设计一定会为我将来从事有关自动化方面的工作打下良好的基础。 淡然一个人设计的速度感觉还是慢了那么一点点，因此，此次课程设计过程中，我们还采用了聚会讨论的方式来完成设计，找几个课题相同的伙伴一起来研究探讨，这不仅仅是解决问题的时间大大加快，也更好的完善和提升了对电力电子和现代电子等方面的知识，开发了自己的聪明和技巧，正所谓：“学以致用。” 我的课程设计是TL494正弦波逆变电路，期间所经历的苦恼与快乐是言语所无法表达清楚的，但知识和成就所带来的愉悦却是永恒的，此次的课程设计，不仅仅让我重新认识了电力电子器件在现代工程中的应用，更使我了解到作为一名优秀的工程师为了给社会和人民带来幸福、快乐的生活所肩负的责任，我会好好努力的。1.7附录：1.8参考资料:1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19991.9课程设计成绩评分表 - 18 -