基于工频变压器的独立逆变电源设计

提出一种基于工频变压器的逆变电源设计方案。该控制电路采用U3988为控制器，输出PWM波形来控制逆变电路功率管，同时U3988内部具有各种电路保护作用，可使逆变电源数字化，简化电路；与无工频变压器逆变电路相比，该电路设计采用工频变压器起到隔离保护的作用，使电路具有系统可靠性功能。实验结果表明，对于传统逆变器，该设计方案不仅省去额外保护电路使电路结构简单明了，还可以使系统从无法保障稳定性到具有可靠稳定性。
关键词：逆变电源；U3988；工频变压器；隔离

    随着科技的不断进步，逆变技术有更广泛的发展。逆变电源的研究也有了进一步发展。目前，除了存在工频逆变器，高频逆变器也已经开始占领逆变电源的发展市场并有望取代工频逆变器。虽然高频逆变器弥补了工频逆变器体积大、频率低、功效低等系列缺点，但是仍无法完全取代工频逆变器的作用。与高频逆变器相比，工频逆变器具有其特有优势。这里提出了一种基于工频变压器的独立逆变电源设计方案。

1 逆变电源结构设计
    图1为基于脉宽调制(PWM)技术的逆变电源结构框图。整个电路选择低压直流输入经全桥逆变电路逆变得到交流电压，经工频升压电路升压达到额定峰值，然后经滤波电路输出满足要求的交流电压，一般要求输出220 V／50 Hz交流。

2 逆变电源硬件电路设计
2．1 PWM技术
    PWM控制技术的理论基础是冲量定理，利用正弦波作为调制波施加在载波输出幅值相等、脉宽按正弦波变化的双极性脉宽调制波(SPWM)，将此方波信号加在逆变桥逆变功率管控制起开通关断，最终得到接近理想的交流输出波形。该技术使得硬件电路简单，并提高输出波形效率。图2是采用U3988器件控制逆变桥的接线图及SPWM波形，其中0UTA、0UTB是正弦波SPWM脉冲序列的输出引脚，这2个引脚输出的信号一般要通过死控制电路才送到逆变桥。

2．2 工频变压器在逆变电路中的作用
    工频逆变电源输入一般为低压直流，采用全桥逆变电路，通过对场效应管的开关频率作用控制输出交流电压。输出的220 V正弦波交流电压的峰一峰值是620 V，而一般的逆变电源输入整流电压为310 V，为了使逆变器不失真输出220 V正弦波交流电压，逆变器前面的直流电压必须是680～870 V。因为一般的逆变输入电压远远小于该值，所以必须加一个输出变压器将逆变器输出电压提升到额定峰值以上才可以使用，如图3所示。
     该电路采用全桥变换电路结构，这种变换器输出不是1根火线和1根零线，而是2根火线，但一般在接负载时都要求有零线。如果没有输出隔离变压器将l根火线硬性接零线，就会导致逆变电源不能正常工作。图4为无输出变压器正半波时的电流流动方向。

    从图4中看出，由于零线的接入，使负载电流经过负载后不经过整流管和逆变功率管，而是直接流回市电的零线输入端，在这种情况下，图中虚线框中的整流器和逆变功率管都未起作用。按照正常工作程序，负载电流应该流过两个桥式电路的整流管和逆变功率管。图5为有输出变压器正半波时的电流流动方向。当输出端接入了隔离变压器后就可以在变压器的次级(负载输入端)连接市电的零线，于是就构成可靠的供电系统。可见，隔离输出变压器对于逆变桥电路来说是一个重要的组成部分，使逆变电路具有可靠稳定的特点。

2．3 保护电路
    U3988内置欠压保护和过热保护的基准电压，只需通过电阻分压，当电压低于基准电压时，就锁定U3988，使其停止输出脉冲。另外，在电流保护方面，根据负载电流的不同，有快速保护、短延时和长延时3段保护功能。

3 逆变电源电路的不足
    隔离变压器是为了变压和隔离零线的目的而接入的，并不具有隔离干扰和缓冲负载突变功能。变压器的初级和次级之间有绝缘层，它们构成了一个容量一定的电容器C，电容器的容抗和频率是成反比关系的，即：
   
式中，Xc是变压器初次级间等效分布电容的容抗，单位Ω。f是干扰信号的频率，单位Hz。C是变压器初次级间等效分布的电容量，单位F。
    由式(1)可看出，频率越高，容抗越小，即干扰信号的频率越高，该电容通路就越容易穿过。由于一般干扰信号的频率是很高的，可以直接穿过变压器而长驱直入去干扰负载。若是较低频率的干扰到来，它就会按照变压器的变比按比例变换干扰负载。由于变压器并不具有抗干扰功能，所以在逆变桥的输入和输出端一般都加有输入、输出滤波器。
    由于隔离变压器的接入，随之会接入电感、电容等低频器件，这不仅使得电路本身体积加大而且也使电路功耗加大，减小了电路的输出效率。随着电子变压器等高频低价位器件的逐渐发展，工频变压器生产成本相对增加，该系统设计的电路板生产成本也相应增加。

4 结论
    通过以上分析，综合介绍了工频逆变电源的电路结构和特点。本设计电路中综合了数字化器件的先进功能，以及工频变压器的隔离作用，达到了电路设汁简单可靠的目的。