100Hz中頻可調(diào)電源變換器設計

沈陽航天新光集團有限公司 姜 波 楊曉勇 李忠秋 趙春雨 申春艷

100Hz中頻可調(diào)電源變換器設計

沈陽航天新光集團有限公司 姜 波 楊曉勇 李忠秋 趙春雨 申春艷

本文采用EG8010為控制芯片,該芯片是一款數(shù)字化、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片.本文介紹了電源變換器基本電路結(jié)構(gòu),低壓直流電源經(jīng)過逆變器電路板上8個功率管兩兩組成的全橋功率單元、LC濾波單元等輸出100Hz中頻可調(diào)的低壓交流電.設計的原理樣機經(jīng)試驗,運行可靠,良好的實驗結(jié)果驗證了設計正確性、穩(wěn)定性以及可靠性.

純正弦波逆變發(fā)生器;EG8010;電源變換器

引言

逆變器也稱為逆變電源,是將直流電能轉(zhuǎn)變成為交流電能的變流裝置,廣泛應用于交流電機調(diào)速、UPS不間斷電源、汽車逆變電源等場合.目前逆變器主要分為三種:方波逆變器、準正弦波逆變器和純正弦波逆變器.

方波逆變器輸出的波形質(zhì)量很差,其正向最大值到負向最大值幾乎同一時間產(chǎn)生,對負載和逆變器本身都會造成劇烈的不穩(wěn)定影響,且其負載能力差,僅為額定負載的僅為額定負載的40%-60%,尤其不能帶電機等感性負載,因為感性負載工作時有可能會產(chǎn)生尖峰脈沖高壓,這種電壓的峰值遠遠大于方波逆變器所能承受的電壓值,很容易引起瞬時超載而造成損壞.

針對方波逆變器的確定,出現(xiàn)了改善的準正弦波逆變器,它的使用效果雖有所改善,但修正弦波的波形仍然是由折線組成,屬于方波范疇,連續(xù)性不好.

純正弦波逆變器不存在電網(wǎng)中的電磁污染的問題,輸出的是同我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娋W(wǎng)一樣的甚至更好的正弦波交流電.純正弦波逆變器提供高質(zhì)量的交流電,效率高,穩(wěn)定的正弦波輸出,高頻技術(shù),體積小、重量輕,可以帶動任何種類的負載(包括電視機、液晶顯示器、冰箱等感性負載)而沒有干擾(比如:翁翁聲和電視噪音).

本設計運用了純正弦波逆變電源專用的EG8010芯片它的功能強大集成保護、顯示、控制等特殊電路,使純正弦波逆變電源電路設計過程簡單,減小使用體積,降低生產(chǎn)成本,并提供良好的轉(zhuǎn)換效率.

1.逆變器方案設計

控制芯片采用單相純正弦波發(fā)生器芯片EG8010,驅(qū)動芯片采用IRS2110[1],通過產(chǎn)生的SPWM波形,控制8個IRF840功率管的導通和關(guān)斷,進行全橋逆變,將24V直流電變成低壓、頻率可調(diào)的交流電.該電路具有電壓、電流和溫度反饋功能,同時具有過壓、欠壓、過流和過熱保護功能,通過外接串口12832液晶顯示模塊顯示逆變器的電壓、頻率、溫度和電流等信息.

2.控制電路設計

本電路采用EG8010純正弦波逆變發(fā)生器芯片,該芯片是一款數(shù)字化、功能非常完善且自帶死區(qū)時間控制的,通過外接12MHz晶振,即可產(chǎn)生高精度、低失真、諧波小的純正弦波,通過CMOS工藝,使芯片內(nèi)部高度集成了SPWM正弦發(fā)生器、死區(qū)時間控制電路、幅度因子乘法器、軟啟動電路、保護電路、RS232串行通訊接口電路以及12832串行液晶驅(qū)動電路模塊等功能.

該芯片主要特點如下:(1)5V當電源供電;(2)可以設置50Hz和60Hz固定頻率、0~100Hz和0~400Hz可調(diào)頻率的純正弦波;(3)自帶死區(qū)時間控制:300nS、500nS、1.0uS、1.5uS;(4)引腳設置軟啟動模式3S的響應時間等.

EG8010結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 EG8010結(jié)構(gòu)框圖

3.驅(qū)動電路設計

正常工作時,功率管完全導通的條件是功率管柵極電壓必須大于開啟電壓且不能超過柵極和源級之間允許的最大電壓,而控制器輸出的電壓不能正常驅(qū)動功率管,所以驅(qū)動電路選取美國IR公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片IR2110S.自舉電路[2]由二極管D1和電容C9組成,目的是維持功率管導通時的柵源級壓降,從而保證保證IRF840的可靠導通.功率管柵極上設計二極管和電阻并聯(lián)后串接在電路中,電阻是為了改善驅(qū)動脈沖的前后沿的陡峭度以及防止震蕩,并且電阻還可以釋放柵源級間的電壓,二極管是為了防止柵極出現(xiàn)高壓尖峰.驅(qū)動電路如圖2所示.

圖2 驅(qū)動電路

4.功率開關(guān)器件選擇

場效應管適用于開關(guān)電源小型化、高效率化和高可靠性要求的場合,是利用電場效應控制其電流大小的元件.MOSFET開關(guān)較快且無存儲時間,所以在較高工作頻率下開關(guān)損耗較小,同時開關(guān)驅(qū)動功率小,從而降低了電路的復雜性.該電路選取了8個MOSFET功率管組成變換電路.本系統(tǒng)采用N溝道增強型MOSFET--IRF840,其漏源級耐壓值為500V,柵源級電壓最大為±20V,最大工作電流為8A.

5.溫度檢測電路

溫度檢測電路由NTC熱敏電阻和測量電阻組成分壓電路,并由EG8010芯片的TFB引腳測量,NTC選用25℃對應10K阻值的熱敏電阻,TFB設定為4.3V的過溫保護電壓,當發(fā)生過溫保護時,EG8010會根據(jù)PWMTYP引腳的設置狀態(tài)將輸出PWMOUT1~PWMOUT4到"0"到"1"電平,關(guān)閉所有功率管,同時啟動風扇進行降溫,且進入過溫保護后,EG8010會重新判定工作溫度.溫度檢測電路如圖3所示.

圖3 溫度檢測電路

6.實驗結(jié)果

圖4是輸出的基頻方波,圖5是輸出的單極性調(diào)制波形,圖6是輸出正弦波形,波形正弦度好,畸變較小,可以實現(xiàn)0~100Hz頻率可調(diào),實驗結(jié)果證明了設計的正確性.

圖4 基頻方波

圖5 單極性調(diào)制波

圖6 正弦波形

圖7 正弦波逆變器驅(qū)動板實物圖

圖8 功率板實物圖

圖9 信息顯示

[1]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2]馬瑞卿,劉衛(wèi)國.自舉式IR2110集成驅(qū)動電路的特殊應用[J].電力電子技術(shù),2000.