一款基于脉宽调制芯片TL494的微型车载逆变器设计电路

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  摘要:针对汽车内部直流电源不能用于交流用电器的问题,设计了一款基于脉宽调制芯片TL494的微型车载逆变器。该逆变器采用DC-DC变换和DC-AC逆变两级结构,前级完成直流升压,后级选择脉宽调制(PWM)控制方式,将直流电压逆变为220V/50Hz的方波交流电。其中,DC-DC变换器先通过推挽逆变电路和高频变压器将12V变换为22V交变方波,再经快恢复二极管整流得到22V直流电。另外,该逆变器提供了一个标准USB接口,可以为具有USB接口的手机等设备充电。

  汽车内部的供电系统是由蓄电池提供的12V直流电,车内的12V电源一般供点烟器使用。随着现代汽车用电设备种类的增多,内置的单一直流电源不能满足如手提电脑、手机充电器、小型电视等所需220V交流电的需求。这就需要逆变器将12V直流电转换为220V交流电,同时,以上商用或一般生活用的设备对交流电压的波形要求不高,方波即可,不必需要正弦波[1-2]。基于这样的应用背景,本文设计制作了一款微型车载逆变器,体积小、重量轻,采用方波输出,电压有效值为220V,功率可达150W。

  1逆变器系统结构

逆变器系统框图如图1所示,整个结构分两级,第一级为DC-DC变换,第二级为DC-AC变换。同时利用MC34063构成降压式变换器提供5V直流输出的标准USB接口。

  一款基于脉宽调制芯片TL494的微型车载逆变器设计电路

  图1逆变器系统框图

  车载逆变电源需要采用开关变换器将蓄电池提供的12V直流电经过DC-DC变换器提升为22V,后级再经过DC-AC变换器转换为工频交流电。对于前级DC-DC变换器,又包括高频DC-AC逆变部分、高频变压器和AC-DC整流部分。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用,尤其是在低压大电流输入的中小功率场合;同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点[3];而全桥逆变电路开关管需要的电压不高,输出功率也比较大,变压器利用率高,因此本文采用推挽逆变-高频变压-全桥整流-全桥逆变的结构。

  2硬件电路

  2.1TL494简介

  TL494是一种频率固定的脉冲宽度控制器,片内集成误差放大器,死区时间可控制,输出控制可用于推挽式和单端式。其内部结构如图2所示,时序图如图3所示。

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  图2TL494内部结构图

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  图3TL494时序图

  2.2DC-DC变换电路

  DC-DC变换电路如图4所示。采用推挽式电路,高频变压器初级绕组中心抽头接蓄电池12V,线圈两端接开关管MOS1和MOS2,触发信号由TL494提供,间隔180°。MOS1导通时,MOS2截止,蓄电池12V电压加在初级绕组W12和MOS1构成的回路上,绕组W12上感应出的电压与蓄电池电源电压相等,同名端为正极性,次级绕组W2感应电压上正下负。MOS2导通时,MOS1截止,蓄电池12V电压加在初级绕组W11和MOS2构成的回路上,绕组W11同名端为负极性,次级绕组W2感应电压上负下正。这样,次级绕组W2上得到了脉宽180°的交变方波电压,再经快恢复二极管D7~D10全波整流后得到22V直流电压。

  TL494的工作开关频率由第6脚的电阻和第5脚的电容共同决定。较高的开关频率可以减小高频变压器体积,降低成本,但太高的开关频率会增加功率开关管的损耗,对散热要求较高,开关频率太低使得变压器体积必须增大,导致整体成本增加。考虑到本逆变器有小型风扇散热,为了减小体积,使之便于携带,本电路设定开关频率为50kHz,从而使高频变压器可以做得很小。

  2.3高频变压器绕组设计

  (1)初级绕组匝数

  设推挽电路的初级绕组匝数W11=W12=W1,由法拉第定律有:V1=KfFW1BMAe(1)

  式中:V1为输入电压;F为开关频率;Kf为波形系数,方波为4.0,正弦波为4.4;BM为最大磁通密度;Ae为磁芯截面积。

  由式(1)可得:W1=VI/(KfFBMAe)。
(2)次级绕组匝数

  W2=(V2/V1)W1(2)

  其中,V2为次级绕组电压,这里为22V直流电压和快恢复二极管压降之和。

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  图4DC-DC变换电路

  (3)绕组导线计算

  导线截面积为S1=I1/J1,I1为各绕组电流有效值;J1为电流密度,一般为3~5A/MM2。导线直径为D1=槡4S1/π。

  铜导体穿透深度:

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  式中:ρ为铜导体电阻率,25℃时ρ=1.72×10-8Ω·M;R为铜导体电导率;μ0为真空磁导率;F为工作频率。

  选取导线时,应使线径小于2δ,并采用直径小于2δ的多股导线并绕,或采用宽而薄的铜导线绕制,铜箔厚度小于[4]2δ。

  2.4DC-AC变换电路

  DC-AC变换电路如图5所示。采用全桥逆变形式,由于不需要变压器升高或降低电压而是直接向负载供电,使得逆变器的体积可以减小。MOS4和MOS5为一组,MOS3和MOS6为一组,两组功率管轮流导通。选择脉宽调制(PWM)控制方式,具体塬理为:MOS5和MOS6轮流导通180°,MOS3和MOS4也是同样的方式。

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  图5DC-AC变换电路

  下桥臂MOS4和MOS6的触发信号要比上桥臂MOS4和MOS5早,这样有利于上桥臂功率管的触发。

  桥式逆变电路的4个NMOS功率管选择IR-FR320,该管最高耐压400V,最大电流为3.1A,输入阻抗极高,漏源电阻仅为1.8Ω。并且为了减小逆变器的体积,选择了TO-252AA贴片式封装。

  2.5USB充电接口

  该逆变器带有一个标准USB接口,可提供5V直流电压输出。输出电流可达500MA,能为具有USB接口的手机、MP3供电,具体电路如图6所示。

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  图6USB输出电路

  利用单片双极性线性集成电路MC34063构成开关式降压变换器。MC34063能在3~40V的输入电压下工作,输出开关电流可达1.5A,输出电压可调,工作振荡频率从100Hz~100kHz。

  3实验结果

  依据上述方案设计制作了逆变器,并进行了实验,体积为9MM×6MM×1.4MM。采用12V开关电源作为直流输入,交流输出端经过220V到9V变压器降压后,利用优利德UNI-TUT2025C数字示波器测量了输出波形,如图7所示。

  一款基于脉宽调制芯片TL494的微型车载逆变器设计电路

  图7降压后的输出波形

  4结语

本文设计一款基于TL494的微型车载逆变器,包括DC-DC直流升压变换和DC-AC逆变两级电路结构,系统体积小、重量轻、便于携带,适用于车载使用。经实际运行测试,该逆变器输出功率可达150W,工作稳定可靠,可满足一般交流设备的用电需求。同时,所配有的标准USB接口可为手机等具有USB接口的设备充电,具有较强的实际应用价值。

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