12v220v车载逆变电源实用制作技术

12v/220v车载逆变电源实用制作技术

专    业：    应用电子技术   

班    级：    07级应电班    

学生姓名：      蒋兴伟       

学    号：    04207106      

指导教师：     黄卓冕       

设计时间：2010-3-5至2010-6-9

摘  要

汽车由最原始的代步方式转变为生活的必须品，现在又开始由生活的必须品向享受生活的层面过渡了，有车族在户外需要使用的电子设备越来越多，例如汽车音响，车用DVD，车用冰箱，手提电脑，手机充电器和各种电源适配器。在发达国家车载逆变源是每辆车必须具备的。据统计，国内配备这种转换器的车还不足20%，加之每年汽车销量居高不下，因而电源转换器在国内有很大的市场前景。

车载逆变电源可以把汽车蓄电池的12V,24V直流电转变为大多数电器所需要的220V交流电，功率开关把输入的直流电压转变成脉宽调制交流电压，然后利用推挽逆变器和高频变压器把交流电压什高。再用全波整流交流电压转换成直流，最后由全桥变换器把高压直流逆变所需交流电。电源换器可作为移动交流电源在车辆，船舶上使用，也适合与太阳能电池配合使用，能够方便地为这些电气设备提供交流电。

UPS是一种含有蓄能的装置，以逆变器为主要组成部分的恒压，恒頻电源设备，主要用于给计算机，计算机网络系统或其他电力设备提供不间断的电力供应。当市电正常时UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后提供给负载使用。此时，UPS就是一台交流稳压器，同时还向机内的蓄电池充电，当市电发生中断等情况时，UPS立即将电池的电能通过逆变转换的方法向负载继续供电，使得负载能维持正常的工作，并保护负载，硬件不受损失。

关键字:车载电源，逆变，保护电路

Abstract

Car travel by the most primitive way of life must be transformed into products, and now again by the necessities of life to enjoy life to the level of the transition, and car owners to use in the outdoors more and more electronic devices, such as car audio, car with DVD, car fridge, portable computers, cell phone chargers and various power adapter. In developed countries, According to statistics, China's car with this converter is less than 20%, coupled with high annual vehicle sales, so the power adapter in the country have great market prospects.

Car power inverter car battery can be 12V, 24V DC into 220V needed most AC electrical power switch to the input DC voltage into AC voltage pulse width modulation, and then use push-pull inverters and high-frequency transformer the AC voltage even higher. Then full-wave rectified AC voltage into a DC, and finally by the full bridge converter high voltage DC to AC inverter required. Power converter can be used as mobile AC power supply in vehicles, ships use, also suitable for use with solar cells and can easily provide AC power to these electrical equipment.

UPS is a device containing the storage to the main component of inverter constant pressure, constant frequency power supply equipment, mainly used for computer, computer network system or other power equipment to provide uninterrupted power supply. When normal mains electricity will be rectified when the UPS inverter or directly through the post regulator to provide to the load. At this point, UPS is one exchange regulator, but also to the machine's battery charging, UPS will immediately convert the battery power through the inverter means to supply to the load。.

Keywords: car power、inverter、protection circuit

第一章 绪论

1.1逆变器及其发展

近几年，电力电子技术发展迅猛，逆变电源广泛应用于日常生活,计算机，邮电通信，电力系统和航空航天等领域。所谓逆变器，是指整流（又称顺变）器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件（例如SC,RGTO,GRT,IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置，由于是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。

1.2逆变技术及其发展

一般认为，逆变技术的发展可以分为如下两个阶段：

1956—1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量级大，逆变效率低，正弦波逆变器开始出现。

1980年到现在为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM(pulse-widthModulation,脉宽调制)为主，体积重量小，逆变效率高，正弦逆变技术发展日趋完善。

逆变器的原理早在1931年就在文献中提过，1948年，美国西屋（Westinghouse）电气公司用汞弧整流器制成了3000HZ的感应加热用逆变器。

1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之而诞生。1956年，第一只晶闸管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展，首先出现的是可控硅SCR电压源型逆变器。1961年，W.MCMurry与B.D.Bedford提出了该机型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。1962年，A,Kemick提出了“谐波中和消除法”,即后来常用的“重叠加法”，这标志这正弦波逆变器的诞生，1963年，提出了“消除特定谐波法”,为后来的优化法奠定了基础，以实现特定的优化如谐波最小，效率最优等。

20世纪70年代后期，可关断晶体管GTO，电力晶体管GTR及模块相继实用化，80年代以来，电力电子技术与电视技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管，PowerMOSFET,绝缘栅门极晶体管IGBT，静电感应晶体管SIT，静电感应晶闸管SITH，场控晶闸管MCT，以及MOS晶体管等，这就使电力电子技术由传统发展时期进入了高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。

19年，由A.SChonung和H.Stmmter提出的，把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术(sinusoida_PWM，简称SPWM)。由于当时开关器件的速度慢而未得到推广，直到1975年才由Bristol大学的S.R.Bowes等把SPWM技术正式应用到逆变给事中，使逆变器的性能大大的提高，并得到广泛应用和发展，也使得SPWM技术达到了一个新的高度，此后，各种不同PWM技术相继出现，例如空间向量调制(SVM)，随机PWM，电流滞坏PWM等，成为高速器件的主导控制方式，至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善.

1.3设计要求

在一些交通运载，野外测控，可移动武器装备，工程修理等设备中都配有不同规格的电源。通常这些设备工作空间狭小，环境恶劣，干扰大。因此对电源的设计要求也很高，除了具有良好的电气性能外，还必须具备体积小，重量轻，成本低，可靠性高，抗干扰强等特点。针对某种移动设备的特定要求，研制了一种简单实用的车载正弦波逆变电源，采用工作模式，以最简单的硬件配置和醉通用的器件构成整个电路。实验证明，该电源具有电路简单，成本低，可靠性高等特点，满足了实际要求。车载逆变器（电源转换器，）是一种能够将直流电转换为和市电相同的交流电，供一般电器使用，是一种方便的车用电源转换器。车载电源逆变器在国外市场受到了普遍欢迎。在国外因汽车的普及效率高，外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作，中国进入WTO 后，国内市场私人交通工具的越来越多，因此，车载逆变器电源作为在移动中使用的直流变交流的转换器，会给你的生活带来很多的方便，是一种常备的车用汽车电子装具用品。通过电眼器输出的车载逆变器可以是20W,40W,80W,120W直到150W的功率规格。再大些功率逆变电源200W,300W,400W,500W,700W,800W,1000W,1500W要通过连接线接到电瓶上。

设计汽车逆变电源，提出了一种低成本的方波逆变电源的基本原理及制作方法：介绍了驱动电路芯片和的使用：设计驱动和保护电路：给出输出电压波形的实验结果。

本文阐述了要求非常高的车载电源的设计及实验过程中的一些特殊问题的解决措施，提出了一些新颖的观点，这些观点对以后的电源设计有一定的借鉴作用 。

1.4总体方案的确定

电源是电子设备的动力部分，是一种通用性能很强的电子产品，它在各行各业及日常生活中得到了广泛的应用，起质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性，其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围，方波逆变是一种低成本，极为简单的变换方式，它适用于各种整流负载。首先用六反相器CD4069构成方波信号发生器。由于方波信号的电压值很小，得先放大到12V。然后介绍MOS场效应管的电源开关电路和它的工作原理。最后就是12V转变为220V的逆变过程。

另外，在购买时要查看车载逆变器是否有各种保护措施功能，这样才能保证电瓶和外接电器的安全。还要注意车用逆变器的波形，方波的转换器会造成供电不稳定。可能损伤所使用的电器，所以最好选正弦波或修正正弦波形的最新型的车载逆变器，

第二章 具体电路设计

2.1逆变电源的工作原理

图1

2.2方波信号发生器

图2

这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于逆变电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。

2.3场效应管驱动电路

图3

由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动逆变电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。如图3所示。MOS场效应管电源开关电路。这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。

图4

MOS 场效应管也被称为MOS FET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本逆变电源制作使用的为增强型MOS 场效应管，其内部结构见图4。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图4可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

图5

为解释MOS 场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图5所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

6a                                6b

对于场效应管（见图6），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图6a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS 场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图6b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图7给出了P沟道的MOS 场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。

图7

下面简述一下用C-MOS场效应管（增强型MOS 场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图8）。电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与逆变电源地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。

图8

由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程（见图9）。工作原理同前所述。这种低电压、大电流、频率为50Hz的交变信号通过变压器的低压绕组时，会在变压器的高压侧感应出高压交流电压，完成直流到交流的转换。这里需要注意的是，在某些情况下，如振荡部分停止工作时，变压器的低压侧有时会有很大的电流通过，所以逆变电源电路的保险丝不能省略或短接。

图9

2.4逆变器的性能测试

测试电路见图（10）。 这里测试用的输入电源采用内阻低、 放电电流大 （一般大于100A） 的12V汽车电瓶， 可为电路提供充足的输入功率。 测试用负载为普通的电灯泡。 测试的方法是通过改变负载大小， 并测量此时的输入电流、 电压以及输出电压。 其测试结果见电压、 电流曲线关系图（11a）。可以看出，输出电压随负荷的增大而下降，灯泡的消耗功率随电压变化而改变。我们也可以通过计算找出输出电压和功率的关系。 但实际上由于电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改变，并且输出电压、电流也不是正弦波，所以这种的计算只能看作是估算。以负载为60W的电灯泡为例假设灯泡的电阻不随电压变化而改变。因为R 灯=V2/W=2102/60=735Ω， 

所以在电压为208V 时，

W=V2/R=2082/735=58.9W。 

由此可折算出电压和功率的关系。 通过测试， 我们发现当输出功率约

为 100W 时，输入电流为10A。此时输出电压为200V。逆变器电源效率特性见图11b。图 12 为逆变器连续 100W 负载时，场效应管的温升曲线图。图13 为不同负载时输出波形图，仅供参考。

图10

图11a     图11b

图12，13

电路板见图 14。所用元器件可参考图15。逆变器用的变压器采用次级为12V、电流为10A、初级电压为 220V 的成品电源变压器。P 沟道 MOS 场效应管（2SJ471）最大漏极电流为30A，在场效应管导通时，漏-源极间电阻为 25 毫欧。此时如果通过10A 电流时会有 2.5W 的功率消耗。N沟道 MOS 场效应管（2SK2956）最大漏极电流为 50A，场效应管导通时，漏-源极间电阻为 7 毫欧，此时如果通过10A 电流时消耗的功率为0.7W。由此我们也可知在同样的工作电流情况下，2SJ471 的发热量约为 2SK2956 的 4 倍。所以在考虑散热器时应注意这点。图16 展示本文介绍的逆变器场效应管在散热器（100mm×100mm×17mm）上的位置分布和接法。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大，出于安全考虑这里选用的散热器稍偏大。

图14

图15(a)

图15(b)

2.5CD4069六反相器结构

CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。

图16

 绝对最大额定值： 

原理如上图所示。

通电后，时基振荡器震荡经过分频后向外输出时基信号。作为分频器的IC2开始计数分频。当计数到10时，Q4输出高电平，该高电平经D1反相变为低电平使VT截止，继电器断电释放，切断被控电路工作电源。与此同时，D1输出饿低电平经D2反相为高电平后加至IC2的CP端，使输出端输出的高电平保持。电路通电使IC1、IC2复位后，IC2的四个输出端，均为低电平。而Q4输出的低电平经D1反相变为高电平，通过R4使VT导通，继电器通电吸和。这种工作状态为开机接通、定时断开状态。

第三章 总结

2010年6月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕 在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：12V/220V车载逆变电源制作技术。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。我在学校图书馆，大工图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。 资料已经查找完毕，我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。 论文的文字叙述已经完成。开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了Excel的绘图技术。在设计电路初期，有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。方案中场效应、车载逆变电路的设计是个比较头疼的问题，在反复推敲，对比的过程中，最终定下了场效应电路采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。然后逐步分析场效应管的工作原理。这样整个逆变过程就一目了然了。 这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。在此更要感谢我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。

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[10] 夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程protel99se[M]．电子出版.

致  谢

本论文是在导师黄卓冕的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。 在三年的学习期间，得到了伍远露，姚劲，秦雄等师兄的关心和帮助，在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的学位论文的，同窗之间的友谊永远长存。

附  录

总电路图