一種基于TVS管的車載逆變電源設(shè)計(jì)

崔保春+王立鵬+文迪+馬思遠(yuǎn)+劉孟茹+劉小朋

摘 要： 針對(duì)車載逆變電源在充電過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生的瞬變過(guò)電壓現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款基于TVS的小型車載逆變電源。該逆變電源前級(jí)采用DC?DC推挽正激電路將12 V直流小電壓升壓為360 V左右的直流高壓，后級(jí)采用DC?AC全橋逆變電路將輸入的直流高壓逆變?yōu)?20 V/50 Hz正弦交流電壓。整個(gè)電路由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電路組成。介紹了車載逆變電源的工作原理，研究了TVS管結(jié)合推挽正激電路在抑制浪涌現(xiàn)象發(fā)揮的作用，提出了使用TVS管結(jié)合該逆變器進(jìn)行保護(hù)的方案。同時(shí)，利用saber仿真軟件對(duì)輸出電壓進(jìn)行仿真和比較，并搭載了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證， 對(duì)車載逆變電源實(shí)施了有效的保護(hù)。

關(guān)鍵詞： 車載逆變器； 變壓器； TVS； saber； 波形計(jì)算器； PWM

中圖分類號(hào)： TN86?34； TD86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，私家車普及率越來(lái)越高。人們?cè)陂_車工作學(xué)習(xí)旅游的同時(shí)，離不開很多實(shí)用的電子產(chǎn)品，比如手機(jī)、電腦、車載冰箱、車載電視等。但是這些設(shè)備只能由交流電源供電，而汽車的蓄電池只能提供12 V直流電，因此，車載逆變電源作為在移動(dòng)中使用的直流變交流的轉(zhuǎn)換器，會(huì)給我們的生活帶來(lái)很多的方便，是一種常備的汽車電子用品。考慮到汽車上的工作環(huán)境惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)的拋負(fù)載以及火花電壓等原因會(huì)使汽車電子產(chǎn)品經(jīng)受高電壓的沖擊，非常容易損壞。因此，車載逆變器的安全性能將成為重中之重[1]。本文重點(diǎn)研究了TVS管在推挽正激電路上的應(yīng)用，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，效果良好。

1 DC?DC變換電路

1.1 推挽正激原理

推挽正激式DC?DC直流升壓變換適合由低壓直流向高壓直流的轉(zhuǎn)換，具有效率高、電磁干擾小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。推挽式變壓器開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，鑒于此，該設(shè)計(jì)采用推挽正激直流升壓電路[2]。

圖1為推挽正激電路原理圖。在變壓器原邊，由兩個(gè)開關(guān)管Q1，Q2，兩個(gè)原邊繞組N1，N2，和串聯(lián)于兩個(gè)開關(guān)管之間的一個(gè)嵌位電容C1組成。線圈兩端接開關(guān)管Q1，Q2，觸發(fā)信號(hào)由TL494i提供用來(lái)控制兩個(gè)開關(guān)管Q1和Q2的交替導(dǎo)通，在變壓器副邊，由全橋整流電路和RLC濾波電路組成。全橋整流電路的優(yōu)點(diǎn)是二極管在斷態(tài)承受的電壓僅為交流電壓幅值，而且變壓器的繞組結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。工作原理是：變壓器副邊電壓U1為正半周時(shí)，對(duì)D1，D4加正向電壓，D1，D4導(dǎo)通；對(duì)D2，D3加反向電壓，D2，D3截止。電路中構(gòu)成U1，D1，D4以及負(fù)載的通電回路，形成上正下負(fù)的半波整流電壓；U1為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2，D3加正向電壓，D2，D3導(dǎo)通；對(duì)D1，D4加反向電壓，D1，D4截止。電路中構(gòu)成U1，D1，D4以及負(fù)載的通電回路，形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。兩個(gè)開關(guān)管Q1，Q2在TL494i發(fā)出的PWM方波信號(hào)的控制下交替導(dǎo)通和截止，在繞組N1和N2兩端分別形成相位相反的交流電壓。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于存在漏感，其中漏感的能量是由嵌位電容來(lái)釋放，因此可以降低開關(guān)管上的電壓尖峰。12 V直流輸入電壓經(jīng)變壓器升壓得到方波電壓，再經(jīng)過(guò)整流濾波得到需要的直流電壓[3]。endprint

1.2 變壓器設(shè)計(jì)

PWM控制芯片為TL494i，輸出頻率為20 kHz，為了防止直通，占空比的最大值，原副邊匝數(shù)計(jì)算公式如下：

本設(shè)計(jì)采取220 V正弦波交流供電，其最高電壓即正弦波的幅值，所以，輸出直流電壓大于311 V就可以了，在此設(shè)輸出電壓為360 V，即，輸入電壓范圍是9.8～15 V，為了滿足在輸入電壓最小為9.8 V時(shí)輸出電壓達(dá)到360 V下系統(tǒng)工作正常，原邊匝數(shù)與副邊匝數(shù)之比計(jì)算公式為：

取整數(shù)，n0=40，所以副邊匝數(shù)[4]

2 DC?AC部分

逆變電路是逆變電源的核心部分。逆變電路結(jié)構(gòu)形式主要有半橋式和全橋式兩種。半橋型逆變電路雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電壓利用率低，交流輸出的電壓幅值僅為直流輸出電壓的一半，要輸出同等功率大小的電能，主變壓器原邊的電流要加大一倍，以彌補(bǔ)電壓利用率的不足。考慮到全橋式逆變電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，本系統(tǒng)采用全橋式逆變電路[5]。

單相電壓型全橋逆變電路如圖2所示。它可以看作由兩個(gè)半橋電路組合而成，共有4個(gè)開關(guān)管。4個(gè)開關(guān)管組成了兩對(duì)橋臂，Q1和Q4一對(duì)，Q2和Q3為另外一對(duì)?；閷?duì)角的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)管交替導(dǎo)通，即Q1和Q2，Q3和Q4輪流導(dǎo)通， 當(dāng)開關(guān)Q1，Q4閉合，Q2，Q3斷開，uo=Ud； 開關(guān)Q1，Q4斷開，Q2，Q3閉合；uo=-Ud；則在負(fù)載電阻上獲得交變電壓波形（正負(fù)交替的方波），這樣，就將直流電壓逆變成交流電壓，選擇脈寬調(diào)制（PWM）控制芯片TL494i來(lái)控制開關(guān)的占空比，從而改變整流電壓的平均值，也就是改變了輸出電壓。

通過(guò)上述方案利用saber仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真波形如圖3所示。

由圖3可以看出輸出電壓在1 ms內(nèi)上升到300 V，并按指數(shù)規(guī)律衰減后趨于正常，這就是浪涌電壓。半導(dǎo)體元件對(duì)浪涌電壓是很敏感的，如果浪涌電壓過(guò)高超過(guò)了車載逆變?cè)O(shè)備的承受能力，元件就會(huì)損壞，這個(gè)設(shè)備的壽命就會(huì)大大降低。為了保護(hù)車載逆變電源在浪涌電壓作用下不會(huì)失效，本設(shè)計(jì)采用TVS管（瞬變電壓抑制二極管）進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，電壓抑制二極管能以極高的速度，使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

3 TVS管的工作原理及選型標(biāo)準(zhǔn)

3.1 TVS管工作原理

TVS管是一種保護(hù)敏感元器件免受靜電釋放（ESD）和電磁干擾（EMI）浪涌脈沖的有效、低成本的器件。單相型TVS管的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，TVS 兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VRWM（TVS管最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓）上升到擊穿電壓VB而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過(guò)TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS管兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)，這就是TVS抑制浪涌電壓，保護(hù)電子元器件的整個(gè)過(guò)程。

3.2 TVS管的選型標(biāo)準(zhǔn)

TVS管的選擇主要參考以下三點(diǎn)：

1） TVS額定反向關(guān)斷電壓RWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的RWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。

2） TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

3） 根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。直流電路選用單極性TVS較為合理，交流電路選用雙極性TVS較為合理[6]。

結(jié)合以上三點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用碩凱公司1.5KE系列的TVS二極管1.5KE?400A，其最大耗散功率1 500 W，箝位額定電壓400 V，符合設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)加入了TVS管來(lái)對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，如圖4所示。

由圖4可知，變壓器輸入側(cè)有兩個(gè)TVS管分別并聯(lián)在兩個(gè)二極管旁側(cè)，在變壓器輸出側(cè)，TVS并聯(lián)在電容旁側(cè)。當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TVS管發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，瞬時(shí)電流通過(guò)TVS管被引開，避開被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束后，TVS管自動(dòng)恢復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。如果尖峰電壓沒(méi)有達(dá)到TVS的鉗位值，TVS不會(huì)導(dǎo)通，所以TVS管工作效率較高，既保護(hù)了電路元件不會(huì)發(fā)生損壞，又保證了后級(jí)全橋逆變電路的可靠運(yùn)行，從而抑制了升壓后出現(xiàn)的瞬變過(guò)電壓現(xiàn)象，保護(hù)了電子設(shè)備。再次用saber仿真，輸出的電壓波形如圖5、圖6所示。

由圖5可知，DC?DC電路最終完成了穩(wěn)定輸出360 V直流電壓的任務(wù)，沒(méi)有出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)電壓。針對(duì)后級(jí)全橋逆變筆者利用saber軟件自帶的波形計(jì)算器功能把負(fù)載兩端電壓相減或者直接在仿真圖上差分放大[7]。由圖6可知，看到瞬變過(guò)電壓降到200 V以下，在半導(dǎo)體元件可承受范圍內(nèi)，逆變器輸出電壓為220 V左右，波形平穩(wěn)光滑，并且是按正弦周期變化的，符合設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述方案設(shè)計(jì)制作了車載逆變電源，如圖7所示。利用數(shù)字示波器測(cè)量輸出電壓波形，如圖8所示。逆變器輸出電壓為220 V左右，頻率為50 Hz左右，電壓波形平滑，諧波失真小，抗干擾能力強(qiáng)，大幅度提高了整機(jī)應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一款基于TVS的車載逆變電源，包括推挽正激DC?DC和全橋逆變DC?AC兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于采用了TVS管，使得電路可靠性提高，穩(wěn)定性好，并具有良好的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)也解決了車載逆變電源日常供電的安全問(wèn)題。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該逆變器可有效吸收瞬變過(guò)電壓，滿足一般電器的車載用電需求，有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和安全性能[8]。但是本文只結(jié)合前級(jí)DC?DC電路進(jìn)行TVS管保護(hù)性能的研究[9]，沒(méi)有涉及后級(jí)DC?AC電路，因此，TVS管結(jié)合車載逆變電源的研究還需要更全面更細(xì)致的工作，使車載逆變電源變得更加安全和穩(wěn)定。endprint

注：本文通訊作者為王立鵬。

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