小功率逆變器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

白英良++張琛

摘 要本文旨在探討小功率逆變器的基本理論，本文提到的PWM脈寬調(diào)制法，即在保持周期不變的條件下，通過改變脈沖波形的寬度來調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小。而SPWM法就是在PWM的基礎(chǔ)上，使輸出電壓的脈沖在一個特定時間間隔內(nèi)，其能量等效于正弦波所包含的能量，利用SPWM法所設(shè)計(jì)的逆變器具有高可靠性、重量輕、體積小、輸出波形穩(wěn)定等特點(diǎn)。本文目的在于設(shè)計(jì)一款簡易的小功率逆變器。文章詳細(xì)地分析了逆變器工作原理和SPWM波產(chǎn)生的過程及原理，實(shí)現(xiàn)Multisim軟件進(jìn)行電路仿真和調(diào)試，并進(jìn)行實(shí)物電路的設(shè)計(jì)、制作及測試。

【關(guān)鍵詞】小功率 逆變器 PWM 實(shí)物測試

1 概述

逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電能（一般為220V，50Hz正弦波或方波）。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路共同組成。廣泛適用于空調(diào)、電動工具、DVD、VCD、電腦、冰箱、洗衣機(jī)、電視、錄像機(jī)、家庭影院、風(fēng)扇、普通照明等。在國外汽車的普及率較高，外出工作或外出旅游即可使用逆變器連接蓄電池帶動各類電器及各種工具運(yùn)行。通過點(diǎn)煙器輸出的車載逆變器普遍是 20W 到 150W 的功率規(guī)格。再大一些的功率逆變電源則需要通過連接線接到電瓶上。把家用電器接到車載逆變器的輸出端就能在汽車內(nèi)使用各種電器。如：手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼攝像機(jī)、照像機(jī)、照明燈、數(shù)碼攝像機(jī)、照像機(jī)、車載冰箱及各種旅游、野營、醫(yī)療急救電器等。本文目的在于設(shè)計(jì)一款簡易的小功率逆變器。

2 設(shè)計(jì)原理

要設(shè)計(jì)一個小功率逆變器，需要利用MOSFET的開關(guān)原理控制電路，通過信號發(fā)生器輸出的信號控制多個MOS場效應(yīng)管的開斷來控制電流的流向，使得變壓器一端交替產(chǎn)生方向相反的電流，變壓器另一端即可獲得交流電。

本方案通過控制端對兩個增強(qiáng)型N溝道場效應(yīng)管的通斷進(jìn)行控制，使兩個場效應(yīng)管工作在不同狀態(tài)下，并通過二對一的變壓器持續(xù)的獲得方向不斷改變的電壓。當(dāng)場效應(yīng)管Q1處在工作狀態(tài)下時，變壓器可以得到上負(fù)下正的電壓，而當(dāng)場效應(yīng)管Q2處在工作狀態(tài)下時，變壓器則獲得上正下負(fù)的電壓，以此來達(dá)到獲得交流電壓的目的。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

圖2為本文所設(shè)計(jì)的小功率逆變器仿真圖。此仿真圖采用2個信號發(fā)生器XFG1和XFG2分別作為“調(diào)制波”和“載波”輸入一個比較器，從而輸出PWM波，可以等效為正弦波，以達(dá)到更好的控制兩個N溝道型MOS場效應(yīng)管的目的。從比較器出來的信號一端直接與MOS管Q1相連，另一端則經(jīng)過反向放大器后與MOS管Q2相連，這樣做的目的是為了使MOS管Q2與MOS管Q1相差180°相位，從而形成工作狀態(tài)互補(bǔ)。

其中信號發(fā)生器XFG1作為“載波”為鋸齒波，XFG2作為“調(diào)制波”為正弦波。兩波經(jīng)過比較器比較調(diào)制后，可得到一系列等幅不等寬的PWM波，PWM波經(jīng)過N溝道型MOS場效應(yīng)管Q1后，得到如所示波形，而經(jīng)過MOS管Q2后得到波形。兩波形互補(bǔ)，如圖7所示，證明兩個MOS管運(yùn)行在互補(bǔ)的狀態(tài)下。

當(dāng)MOS管Q1工作時，電流經(jīng)過2對1變壓器上半部分，變壓器另一端得到向上的電流。 而當(dāng)MOS管Q2工作時，電流則經(jīng)過變壓器下半部分，變壓器另一端獲得向下的電流。變壓器輸出端持續(xù)獲得方向不斷改變的電流，為有效的220V交流電。波形如圖3所示。

仿真結(jié)果表明，通過PWM脈寬調(diào)制控制兩個MOS管的開斷，并利用2對1的變壓器可獲得有效的220V交流電，設(shè)計(jì)原理有效。

4 小功率逆變器的硬件實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)采用了雙12V輸入，220V輸出，功率150W的二對一高頻變壓器。

經(jīng)過一系列調(diào)試測試，輸入12V直流電能，最終得到220V左右的交流電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確，基本滿足設(shè)計(jì)要求。如圖4所示。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款簡易的小功率逆變器。該逆變器采用了比較常見的半橋式逆變，由PWM脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制，輸入為12V直流電，輸出為220V交流電，該設(shè)計(jì)基本完成了論文中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，并通過Multisim仿真及實(shí)物實(shí)現(xiàn)得出正確結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]曲學(xué)基，曲敬鎧，于明揚(yáng).逆變技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]劉鳳君.正弦波逆變器[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]中國農(nóng)學(xué)會.農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)1995年第1995期中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)信息[J].北京：農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)雜志編輯部，1995.

[4]陳國呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]陳道煉.DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[6]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)華愛.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[9]王兆安.黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[10]朱彩蓮.Multisim電子電路仿真教程[M].西安：西安電子科學(xué)大學(xué)出版社，2007.

[11]徐德宏.開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[12]周志敏.逆變電源實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[13]劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[14]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第5版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

作者單位

北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部 北京市 100124