小功率車載逆變電源的設計

范壽銘，黃凱倫

（溫州大學 浙江 溫州 325000）

現(xiàn)在隨著汽車的普及度越來越高，人們對汽車的功能要求也越來越高，尤其是有車族對車載電源方面的要求，車載逆變電源作為一種可以提供220 V交流電的裝置，不僅可以為人們的各種手機，筆記本電腦充電，還可以支持車載DVD，車載冰箱等電器。據(jù)有效統(tǒng)計，國外目前車載電源普及率為70%，而國內(nèi)僅為20%左右。而且國內(nèi)目前出售的部分車載逆變電源可靠性不高，價格昂貴，針對此特點，設計出一種具有可靠性，安全性，優(yōu)質性的車載電源尤為重要。本文對小功率車載逆變電源展開設計與研究。此設計的核心為SPWM控制技術[1]，用DSP2812產(chǎn)生SPWM波形，抗干擾能力強，性價比高。

1 整體結構設計

本系統(tǒng)分為4個部分，分別為DC/DC變換、DC/AC變換、驅動電路、保護電路。如圖1所示。

蓄電池的12 V直流電輸入到DC/DC模塊中，輸出為260 V的直流電，輸入到DC/AC模塊中，產(chǎn)生220 V交流電提供給負載。DC/DC和DC/AC模塊采用驅動電路來控制，其中DC/DC模塊以TL494芯片控制，而DC/AC模塊則需要驅動電路產(chǎn)生SPWM波形來控制。保護電路是用來防止負載兩端電壓過高而燒壞用電設備，防止變壓器一次側流經(jīng)開關管電流過大燒壞開關管。

圖1 系統(tǒng)結構原理圖Fig.1 The system principle diagram

當DC/AC逆變完成后產(chǎn)生的交流電通過交流互感器采集經(jīng)過A/D轉換輸入到驅動電路里，實現(xiàn)對輸出電壓的模糊PID控制[2]。使電壓穩(wěn)定在220 V左右。

其中考慮到蓄電池的電壓會下降，當電量不足時，蓄電池兩端電壓可能達不到12 V，從而使變壓器二次側電壓不足220 V，所以選取合適的變壓器使變壓器二次側的電壓在260 V左右，之后通過SPWM來調至220 V。

2 模塊介紹

2.1 DC/DC變換電路

DC/DC模塊電路如圖2所示。

圖2 DC/DC變換電路圖Fig.2 DC/DCconversion circuit diagram

變壓器一次側采用帶中心抽頭變壓器的逆變電路[3]，原邊中心抽頭接蓄電池12 V，兩端用開關管控制交替工作，副邊繞組接成全波整流形式。變壓器的扎數(shù)比為1:22，使得變壓器二次側輸出電壓約為交流260 V。在兩個開關管兩段分別并聯(lián)兩個續(xù)流二極管，然后變壓器二次側接一個橋式整流電路，使得輸出為直流260 V，完成DC/DC變換。

其中如果擬定最大負載為1 000 W，當接最大負載時，變壓器一次側的電流約為83.3 A，所以Q1、Q2在選型時其最大導通電流要大于83 A，橋式整流電路流過的最大電流約為4 A，在D1選型時也要考慮最大電流問題。

2.2 DC/AC變換電路

DC/AC變換電路如圖3所示。

DC/AC的變換是通過全橋逆變由4個可控開關管分為兩組，兩兩一組輪流導通。例如當A，D導通時B，C關斷流過負載電流規(guī)定為正方向，當B，C導通時A，D關斷，流過負載的電流則為負方向，從而使流過負載的電流為交流。4個可控開關管的控制端接驅動電路（控制電路）。

圖4 TL494內(nèi)部結構圖Fig.4 The internal structure of TL494

圖3 DC/AC變換電路圖Fig.3 DC/ACconversion circuit diagram

4個開關管都采用SPWM控制，通過改變開關管的觸發(fā)角大小，從而改變負載兩端電壓大小，可以實現(xiàn)負載兩端電壓從0～260 V的調節(jié)。這里負載兩端電壓調至220 V。C1為濾波電容，DC/DC變換輸出的直流電流中含有交流分量，故需要一個電容來濾除交流分量，使輸入到DC/AC模塊中的電流為直流。以提高負載兩端電壓的質量。

2.3 控制電路

TL494是一種性能優(yōu)良的脈寬調制控制器[4]，其中包括基準電源、誤差放大器、頻率可變鋸齒波震蕩器、PWM比較器、觸發(fā)器、輸出控制電路、輸出晶體管及死區(qū)時間控制電路等。

TL494內(nèi)部結構如圖4所示。

本文考慮到輸出諧波和控制問題，故采用面積等效法來產(chǎn)生SPWM，即把正弦波半個周期分為n等份，用與每份面積相等的矩形脈沖來替代，因為矩形脈沖寬度與對應的正弦波面積為相應比例，所以可以通過計算來得到每個矩形脈沖的寬度和輸出不同時矩形脈沖的寬度值，形成一個 50 Hz正弦波表的數(shù)據(jù)，將該組數(shù)據(jù)按每頁 256個字節(jié)存于DSP內(nèi)存中，每頁不滿 256個字節(jié)的數(shù)據(jù)后面補 0，這樣可以方便DSP讀取數(shù)據(jù)和提高運行速度[5]。利用DSP運算速度快的優(yōu)勢，達到實時控制4個晶體管的要求。

DSP2812一般使用外部時鐘，所以要先對時鐘進行初始化，然后將PLL控制寄存器PLLCR取值為10，送至CPU的是時鐘則為150 MHz。主函數(shù)流程圖如圖5所示，初始化包括：系統(tǒng)時鐘配置，PIE控制寄存器初始化，PIE中斷向量表初始化，GPIO口初始化，EVA初始化。開中斷實際上是定時器T1開始計數(shù)。在通用定時器初始化的時候便將中斷打開。當T1CNT和T1CMPR的值相等時發(fā)生比較匹配事件，如果T1控制寄存器T1CON的TWCMPR為1，定時比較器被使能，且GPTONA的位TCMPOE為1時，定時器比較輸出被使能，那么T1PWM_T1CMP引腳就會有SPWM波形輸出。

圖5 DSP2812內(nèi)部程序主函數(shù)流程圖Fig.5 DSP2812 Internal program flow chart of the main function

2.4 模糊PID控制及保護電路

模糊PID控制：目前大多數(shù)逆變系統(tǒng)都使用常規(guī)PID控制，雖然簡單方便控制，但是很難保證系統(tǒng)在變工況前后都有良好的控制品質，系統(tǒng)的可控性較低[6]利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改，其結構由常規(guī)PID控制和模糊推理的參數(shù)校正兩部分組成。本文模糊自整定PID控制器采用PI控制器，用本系統(tǒng)的輸出誤差變化率和電壓誤差作為輸入?yún)?shù)，就可達到在任意時刻以誤差變化率ec和誤差e對參數(shù)自我整定的要求。

保護電路：為了防止變壓器一次側電流過大燒壞一次側電路故在變壓器一次側加裝一個過電流保護器，當負載處發(fā)生短路或者負載功率過大超出規(guī)定功率，過流保護器動作，斷開一次側電路，達到保護功能。在負載兩端串聯(lián)一個空氣開關，當發(fā)生漏電或者電壓過高時，自動脫扣，防止漏電事故或者過電壓事故的發(fā)生。在輸出端安裝欠電壓指示電路，當輸出電壓過低時，欠壓保護指示燈亮起，提醒用戶蓄電池電量不足，應及時充電。

3 仿真結果

本文采用MULTISIM軟件進行模擬仿真。

3.1 負載兩端電壓

負載兩端電壓如圖6所示。把Multisim軟件的雙通道模擬示波器接到負載兩端觀察波形，得到圖5所示的波形，為近似于220 V的方波。

圖6 負載兩端電壓（multisim示波器）Fig.6 The voltage across the load（multisim OSC）

3.2 波形仿真分析

由于Multisim里面的原件大部分都是理想原件[7]，而實際當中原件不是理想的，例如開關管有關斷后的漏電流等，所以仿真結果還是與實際有少許誤差，但總體上能反映此系統(tǒng)的功能。經(jīng)過實物測試，得到的結果與仿真誤差很小，誤差可以忽略。得到的220 V方波可以代替工頻電作為額定電壓為220 V的設備電源。

4 結論

本文的逆變電源設計采用SPWM調制技術和模糊PID控制，與單純的PWM控制相比使電源輸出穩(wěn)定性提高25%左右，即使汽車蓄電池電壓低于額定電壓10%，仍能有效的輸出額定交流電，并有較強的抗干擾能力。經(jīng)過實物測試，保護電路對過電壓和過電流的動作靈敏，起到了保護人身安全、蓄電池及逆變電路的保護作用。

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