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纯正弦逆变器制作方法

454398 来源:未知 作者:工程师吴畏 2018-08-20 17:46 次阅读

做一个纯正弦逆变器,这个想法9个月之前就有了。做个逆变器,高频的,效率高,体积小。前级肯定用SG3525或者TL494做的推挽升压,这没啥选择,关键是后级,它决定输出波形是方波还是正弦波。 输出正弦波的后级需要SPWM技术,肯定很多人的第一想法是使用单片机。的确,使用单片机的好处不少:SPWM波精度高,输出正弦波波形好,稳压精度高,方便加入电压指示功能等,单片机确实非常适合工业量产。但是对于咱们玩家,可不是这样了。单片机不是人人可以掌握的,即便掌握,像我这种只会做电子红外遥控之类的初级玩家也很难写出好的SPWM程序。因此,我考虑了全硬件方案。

高频前级(原理分析)

在HIFI界,有一句话说前级出声后级出力,同样在逆变界,有前级出功率后级出波形之说。一个好的前级是多么的重要,是确保足够功率输出的保证。

纯正弦逆变器制作方法

这就是前级电路图啦~

电路采用了光藕隔离反馈,工作在准闭环模式。轻载或者空载时,由于变压器漏感,输出可能超压,容易穿后级和电容。此时占空比减小输出降低,实测在空载时占空比很小很小,这大概是空载电流小的原因吧(空载电流神一般的~60mA~)。

当负载变大后,电路逐渐进入开环模式,以确保足够的电压和功率输出。

注:本图根据老矿石的作品修改

全硬件纯正弦后级(原理分析)

老寿老师很久之前就弄过全硬件了,他的方案有SG3525和lm393两种,前者简单,但是最大占空比低(母线电压利用率低),后者最大占空比理论上可以弄到100% (实际也很高)但是电路有点复杂,而且需要双电源供电。我把它们融合了一下,得到了自己的电路。

这是后级的框图

本电路优点:

1.电路极简单,可能为世界上最简单的分立SPWM电路

2.单电源宽电压供电(10V-30V)

3.输出最大占空比高,仿真时最大占空比已经接近100%.这将导致母线电压利用率高,母线电压340V就足够产生230V的工频正弦交流电。

4.隔离输出,受外围电路干扰少

本电路没有使用稳压反馈,故稳压功能全靠前级完成。前级一般由SG3525或者TL494组成,稳压功能不用可惜了。

看本图,由于使用了虚拟双电源,因此单电源供电即可,省略一个辅助电源变压器。

再看驱动板电路图(红圈里的内容是修改过的部分):

麻雀虽小,五脏俱全。

如图,LM7809将电池电压降为稳定的9V,这使得电路可以在宽电源(10V-30V)情况下工作,左上角红圈里的2N5551和2N5401等元件组成了虚拟双电源,将正9V变成正负4.5V的双电源。

NE555及周边元件组成频率约为20KHz的高线形度三角波振荡器,如图,在NE555的2和6脚可以得到在3V和6V之间运动的三角波。

IC1为LM324,IC1A及周边元件组成50Hz工频正弦振荡器,产生幅度4.5V的正弦波(对于产生的虚地),圈一电位器将这个正弦波幅度分压到3.5V.IC1B和IC1C及周边元件组成精密整流电路,将正弦波变成3V幅值的馒头波。这个馒头波要去和NE555的三角波比较,三角波和馒头波的幅值虽然向同,都是3V,但是这个馒头波的最低电位比三角波的高1.5V.因此,IC1D及周边元件组成减法电路,将馒头波整体下调1.5V,这样三角波和馒头波就可以比较了.LM393B进行比较工作,产生同相位的SPWM波,此波与LM393A组成的正弦波-方波转换器输出的同步方波送入CD4081等组成的编码电路进行编码,产生最终驱动功率管的SPWM信号。两个20K电阻和47P电容用于产生死区于高频臂.SPWM1和SPWM2用于驱动高频臂,50HZ1和50HZ2用于驱动工频臂。

电路设计巧妙的地方之一就是虚地和实地的转换.LM393A之前电路是工作在虚地状态的,而LM393之后的电路却变成了实地。因为4.5V的交流(对于虚地)对于实地来说是个9V的脉冲.LM393B周边电路也是类似原理。

然后看H桥电路图(红圈里的内容是修改过的部分):

后级是很普通的,没啥创新。下臂的IRFP460采用光藕直接驱动,上臂的IRFP460采用自举电容+光藕驱动。工作原理简述:当下臂导通时,高频桥的功率管的中点相当于接地,此时220uF的自举电容通过FR107和下臂管充电,当下臂管关断上臂导通时,220uF电容与地隔离,当TLP250内部三极管导通后,相当于给上臂管的GS之间施加一个电压,因此上臂管可以在与之对应TLP250的控制下导通和关断。

1mH电感和一个400V 1uF电容用来完成高频滤波的任务,把高频SPWM方波变成50Hz的正弦波。

三、整机组装和元件选择

整机可以分两块板做,一块是后级的SPWM板(控制板),推荐使用热转印法制作一个PCB,因为用万用板难度实在太大。另一块是前级和后级H桥(功率管),用一块大万用板做。SPWM板插在功率板上。

我的万用板布局(制作时摆出来的,仅供参考):

纯正弦逆变器制作方法

这是实物:

首先绕制变压器。变压器的绕法很讲究的,绕不好会导致漏感大炸前级功率管,乱绕更是做死……。.变压器采用EE55磁芯和骨架,初级2+2,次级65,辅助绕组3。

绕制方法如下:

在磁芯上绕27匝,也就是一层次级,用1mm的漆包线,然后用绝缘胶袋包好包紧。

绕次级,用0.8mm的漆包线8根并绕,绕两个2匝,然后用胶带包上

示意图:

实物图:

绕下一层次级(27匝),然后用胶带包上

绕下剩下次级(11匝)

绕辅助绕组,然后用胶带包上

清洁磁芯的对接面然后插入磁芯,用胶带固定之

绕好之后要进行漏感测试,测试方法是短路高压绕组然后测初级电感即是漏感,如果漏感太大要重绕变压器,漏感不要超过2uH!

然后在万用板上搭建前级(前级那张电路图的全部)。前级的图腾柱三极管选用80508550或者D669B649对管(我用后者),功率管为了避免过大损失,先俩IRF3205做调试。后级的整流二极管选用耐压〉600V电流8A以上的快恢复二极管,我选用的型号是MUR1560T,此外还可以使用MUR860T、MUR8120等二极管,实在不行用HER607代替得了(输出功率受影响)。3525边上的电位器是调前级频率的,先调到9.8K,以后愿意可以微调以获得最佳效率。反馈那个电位器是调空载或者轻载时电压反馈的,调到3.16K,这样空载电压被限制在380V左右,对于电容和后级功率管安全的(当前后级联机后,后级的AC滤波部分会消耗一小部分功率,这个电压会被拉低,先不用考虑)。那个450V0.22uF的无极性电容不可不装,它的作用是滤去母线上的各种干扰信号,保障后级H桥可靠工作。和电池并联的那个10000uF(10mF)电容不可不装,否则不出功率。至于那个450V470uF电容先不用装,为了避免电击。

最后可以试机了,对于第一次试机的同志,简易串灯泡(12V20W),以避免损失。如果通电后灯泡一直亮,那说明短路啦,赶紧断电检查。如果灯泡只在通电瞬间亮一下,那说明基本没问题,可以直接接电瓶了,测试空载电流(小于100mA)母线电压(380V左右)和辅助电源电压(15V),如果都符合,那就进行加载测试。找个100W白炽灯,接在母线和后级地之间。通电,观察功率管的温度,如果升温过快严赶紧断电,找出原因,如果微热或者压根不升温,那就说明前级成功了,开始弄后级控制板(SPWM板)吧~

SPWM板强烈推荐使用热转印制作PCB(此PCB包括第二张电路图和后级H桥的TLP250、FR107、200欧电阻、220uF电容),洞洞板焊出来估计得要命……首先焊好所有元件,然后用示波器查看A点波形,调节IC1A下面的电位器,使波形最好振幅最大;再。调整圈1电位器使其滑动端(B)对虚地有3V幅值(对虚地)的正弦波脉冲,此时在C点可以看到幅值3V频率100Hz的馒头波(对虚地);调整圈2电位器,是其滑动端对地(实地)有1.5V电压,绕后用示波器同时观察三角波和减法电路输出的馒头波,调节圈1电位器和圈2电位器使三角波和馒头波在同一范围内,即三角波能包住馒头波,馒头波还可以“在三角波里顶天立地”,再测试F输出的50Hz脉冲方波,在LM393B的输出端应该可以测到SPWM脉冲。最后测试SPWM1、SPWM2、50HZ1和50HZ2的波形,应为下图:

看到它,就说明基本成功了。

最后弄后级H桥。

弄之前先把后级的AC滤波磁环弄好,用1mm漆包线在内径20mm的铁硅铝磁环上绕90匝,线长约4.5m。绕好之后电感在700uH以上的都能用。(友情提示:绕该磁环一定要带上手套,否则你的手会被勒出血泡!我是受害者啊!)

把功率板上的后级H桥的功率管、AC滤波LC装好,这里我们使用IRFP460LC组成H桥。再装上装好之后H桥先不接母线高压,而接辅助电源的15V!有的同志可能会问这是为什么,我这么做是为了减小损失。。。。。。。上电之后测AC滤波器输出,什么?是方波?!没事儿,临时在输出加个180欧的负载立马变正弦波了。如果正常的话H桥就直接接母线了,在输出那里加2个并联的100K1W电阻做假负载(这机器是单极性调制,空载输出方波…。.),以输出正弦波。改变电路后的初次上电一定要串灯!!!不然功率管炸烂你家!!!有高压探头的朋友可以看看输出波形,我是拿变压器降压后看的,过零点波形有点屎……没办法,电路缺陷……。不过影响不大……。.

得到正弦波之后,不串灯泡,测空载电流,在700mA 之下可以接受,我的是500mA。

加点负载玩吧,用灯泡、变压器、手机充电器(闲置的)、电动机之类的,同时关注前级功率管升温,据我观察后级H桥升温困难…………

这些都弄好之后,可以换上前级的牛管了------IRFP2907。IRFP2907,场管中的战斗机哦耶!又一个纯正弦逆变器诞生啦~

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