正弦波逆变器
正弦波逆变器电路图现有的逆变器,有方波输出和正弦波输出的。方波输出的逆变器效率高,但对于都是为正弦波电源设计的电器来说,使用总是不放心,虽然可以适用于许多电器,但部分电器就不适用,或用起来电器的指标会变化。正弦波输出的逆变器就没有这方面的缺点,却存在效率低的缺点。设计了一款高效率正弦波逆变器,其电路如图 1。该电路用 12V 电池供电。先用一片倍压模块倍压为运放供电。可选取 ICL7660 或 MAX1044 。运放 1 产生 50Hz 正弦波作为基准信号。运放 2 作为反相器。运放 3 和运放 4 作为迟滞比较器。其实运放 3 和开关管 1 构成的是比例开关电源。运放 4 和开关管 2 也同样。它的开关频率不稳定。在运放 1 输出信号为正相时,运放 3 和开关管工作。这时运放 2 输出的是负相。这时运放 4 的正输入端的电位(恒为 0)总比负输入端的电位高,所以运放 4 输出恒为 1,开关管关闭。在运放 1 输出为负相时,则相反。这就实现了两开关管交替工作。下面论述一下开关管是怎么工作的。当基准信号比检测信号,也即是运放 3 或 4 的负输入端的信号比正输入端的信号高一微小值时, 比较器输出 0 , 开关管开, 随之检测信号迅速提高, 当检测信号比基准信号高一微小值时, 比较器输出 1 , 开关管关。这里要注意的是,在电路翻转时比较器有个正反馈过程,这是迟滞比较器的特点。比如说在基准信号比检测信号低的前提下,随着它们的差值不断地靠近,在它们相等的瞬间,基准信号马上比检测信号高出一定值。这个 “ 一定值 ” 影响开关频率。它越大频率越低。这里选它为 0.1~0.2V 。C3 , C4 的作用是为了让频率较高的开关续流电流通过,而对频率较低的 50Hz 信号产生较大的阻抗。 C5 由公式:50= 算出。 L 一般为 70H ,制作时最好测一下。这样 C 为 0.15 μ 左右。 R4 与 R3 的比值要严格等于 0.5 ,大了波形失真明显,小了不能起振,但是宁可大一些,不可小。开关管的最大电流为: I==25A 。这里较详细的讨论一下 L1 , L2 的选值。把负载电等效回变压器的输入端,其电路为图 2 。考虑到开关频率比 50Hz 大得多,在开关从开到关的过程,可以把变压器的电压看成是不变的。则电源通过 L 输出的能量为: W=∫ Uccdt=t 忽略一切不理想损耗,此能量应等于负载消耗能量。上式的平均功率为: P==t希望在 Ucc-U 接近于某一小值时,电池能以较高的开关频率并符合要求地向变压器供电。这个 “ 某一小值 ” 这里取 0.5V ,频率取 5kHz 。当 Ucc-U<0.5V ,开关管将较长时间开着(这是相对来说的)。如果需要这个电源的最大输出功率为 150W ,那么负载电阻为 322.7Ω ,折算到变压器输入端为: 0.48 Ω 。∴负载此时的瞬时功率为: P==276W ∴ P=× =276 ∴ L=2.2μH可以看出 L 值很小,对开关管不利,并且输出有削峰。制作时可以增加 L 值,但最大输出功率会减少。解决这一问题的最好方法是,用 16V 电源供电,还用 8.5V 变压器(峰值为 12V ),和峰值为 12V 的基准信号,但这时的电路需要改动.逆变器制作全过程制作 600W 的正弦波 逆变器 ,该机具有以下特点:1.SPWM 的驱动核心采用了单片机 SPWM 芯片, TDS 2285 ,所以, SPWM 驱动部分相对纯硬件来讲,比较简单,制作完成后要调试的东西很少,所以,比较容易成功。2.所有的 PCB 全部采用了单面板,便于大家制作,因为,很多爱好者都会自已做单面的 PCB ,有的用感光法,有点用热转印法,等等,这样,就不用麻烦 PCB 厂家了,自已在家里就可以做出来, 当然, 主要的目的是省钱, 现在的 PCB 厂家太牛了,有点若不起(我是万不得已才去找 PCB 厂家的) 。3.该机所有的元件及材料都可以在淘宝网上买到,有了网购真的很方便,快递送到家,你要什么有什么。如果 PCB 没有做错, 如果元器件没有问题, 如果你对逆变器有一定的基础,我保证你制作成功,当然,里面有很多东西要自已动手做的,可以尽享自已动手的乐趣。4.功率 只有 600W ,一般说来,功率小点容易成功,既可以做实验也有一定的实用性。一、电路原理:该逆变器分为四大部分, 每一部分做一块 PCB 板。 分别是 “ 功率主板 ” ; “ SPWM 驱动板 ” ; “ DC-DC 驱动板 ” ; “ 保护板 ” 。1.功率主板:功率主板包括了 DC-DC 推挽升压和 H 桥逆变两大部分。 该机的 BT 电压为 12V,满功率时,前级工作 电流 可以达到 55A 以上, DC-DC 升压部分用了一对 190 N08 ,这种 247封装的牛管,只要散热做到位, 一对就可以输出 600W , 也可以用 IRFP2907Z ,输出能力差不多,价格也差不多。主 变压器 用了 EE55 的磁芯,其实,就 600W 而言,用 EE42 也足够了,我是为了绕制方便,加上 EE55 是现存有的,就用了 EE55 。关于主变压器的绕制,下面再详细介绍。 前级推挽部分的供电采用对称平衡方式, 这样做有二个好处, 一是可以保证大电流时的二个功率管工作状态的对称性,保证不会出现单边发热现象;二是可以减少 PCB 反面堆锡层的电流密度, 当然, 也可以大大减小因为电流不平衡引起的干扰。 高压整流快速 二极管 , 用的是 TO220 封装的 RHRP8120 ,这种管子可靠性很好,我用的是二手管,才 1元钱一个。高压 滤波电容 是 470 uf/450V 的,在可能的情况下,尽可能用的容量大一些, 对改善高压部分的负载特性和减少干扰都有好处。 H 桥部分用的是 4个 IRFP460 ,耐压 500V ,最大电流 20A ,也可以用性能差不多的管子代替, 用内阻小的管子可以提高整机的逆变效率。H 桥部分的电路采用的常规电路。下面是功率主板的 PCB 截图,长宽为 200 X150MM ,因为,这部分的电路比较简单,所以,我没有画原理图,是直接画了PCB 图的。该板布板时,曾得到好友的提示帮助,特在此表示感谢。2. SPWM 驱动板和我的 1KW 机器一样, SPWM 的核心部分采用了张工的TDS2285 单片机芯片。 关于该芯片的详细介绍, 这里不详说了。U3,U4 组成时序和死区电路, 末级输出用了 4个 250光藕, H 桥的二个上管用了自举式供电方式, 这样做的目的是简化电路, 可以不用隔离 电源 。因为 BT 电压会在 10-15V 之间变化,为了可靠驱动 H 桥,光藕 250 的图腾输出级工作电压一定要在 12-15 之间, 不能低于 12V ,否则可能使 H 桥功率管触发失败。 所以, 这里用了一个 MC34063( U9) ,把 BT 电压升至 15V(该升压电路由钟工提供) ,实验证明,这方式十分有效。整个 SPWM 驱动板,通过 J1,J2 插口和功率板接通,各插针说明如下:J2: 2P-4P; 7P-9P; 13P-15P; 18P-20P 分别为 H 桥 4个功率管的驱动引脚23 P-24P 为交流 稳压 取样电压的输入端。J1: 1P 为 2285 输出至前级 3525 第 10P 的保护信号连接端,一旦保护电路启动, 2285 的 12P 输出高电平,通过该接口插针到前级 3525 的 10P ,关闭前级输出。6P-7P-8P 为地 GND 。9P 接保护电路的输出端,用于关闭后级 SPWM 输出。10P-11P 接 BT 电源。下面是 SPWM 驱动板的电原理图和 PCB 截图:3.DC-DC 驱动板DC-DC 升压驱动板,采用的是很常见的线路,用一片SG3525 实现 PWM 的输出,后级用二组图腾输出,经实验,如果用一对 190N08 , 图腾部分可以省略, 直接用 3525 驱动就够了。因为这 DC-DC 驱动板, 和我的 100 0W 机上的接口是通用的, 所以有双组输出,该机上只用了一组。板上有二个小按钮 开关 ,S1,S2 , S1是开机的, S2是关机的, 可以控制逆变器的启动和停机。这驱动板,是用 J3,J4接口和功率板相连的,其中 J3的第 1P为限压反馈输入端。下面是 DC-DC 升压驱动电路图和 PCB 截图:4.保护板我这次没有做保护板,有如下原因:首先是没有保护板该机也可以工作,加上这段时间比较忙,所以,保护板就拉下了;其次是:我这次公布的功率主板,是后来经修正过的,保护板上的接口也做了改动,而我的样机用的是没有修正过的 PCB 板,即便是做了保护板,也插不上去。我倒是希望有朋友如果用我的PCB 文档去厂家打样,不要忘记,多给我打一套,寄给我,我就可以根据新的功率主板来画保护板了。 下面是保护部分的电路图, 是我学习了钟工公布的 300 0W 上用的保护电路变化而来的。二、主要部件的制作和采购1.SPWM 主芯片2.主变压器主变压器是制作逆变器成功与否的关健,本机主变用的磁芯为 EE55 ,材质 PC40 ,我在杭州电子市场买到了一种质量很好的骨架,立式的,脚位 11加 11,脚粗 1.2MM 。绕制数据:初级2T 加 2T,用 10根 0.93 的线。初级导线总面积为 6.8平方 MM,次级为 0.93 线一根,绕 60T。绕前准备:先准备骨架, 把骨架上 22个引脚, 剪去 4个, 下面红圈处就是表示已经剪去的脚。 上面二个独立的脚是高压绕组用的, 远离下面的脚有利于绝缘, 中间及下面的脚是低压绕组用的, 左边是一个绕组 2圈,右边是另一个绕组 2圈。绕制步骤:A),先绕二分之一的高压绕组 (次级) , 先在骨架上用高温胶带粘一层,这样做是为了防止导线打滑,用一根 0.93 线绕一层,约30圈 (注意的是, 高压绕组的线头要做好绝缘, 我是套进一小段热缩套管,用打火机烤一下,就紧紧包在线头上了) ,再用胶带固定住线头, 不要让它散出来, 并在高压绕组的外面用高温胶带包三层。B), 下面就可以绕低压绕组了 (初级) , 低压绕组分成二层绕,也就是每一层是 2加 2, 用 5根线并绕, 我画了一个图 (见下面图) ,不知大伙能不能看清楚结构情况。先用 5根 0.93 线绕 2圈(见图二中红线) ,中间留空隙,再在空隙处用另外 5根线绕 2圈 (见图二中蓝线) , 每根线长约 37CM 。用同样的方法绕二层,层间包二层胶带,这样就相当于用了 10根线并绕。绕完低压绕组,在绕组外用高温胶带包三层。绕低压绕组要注意的问题是:线头留在下面,即骨架引脚处,线尾留长一点, 暂时留在骨架的上面 (等绕完高压绕组后要向下折下来) 。从(图一)可以看出,实际上,低压绕组的头和尾是有一段是重叠的, 也就是不是 2圈, 而是约 2.2圈, 这样做可以大大减少漏感。C),再继续绕高压绕组,绕完另外的 30圈,要注意的是,这30图要和里面的 30圈绕向相同, 这点很关健。 如果一层绕不下,就把剩下几圈再绕一层。 D),绕完高压绕组后,在外面用高温胶带包三层, 就把低压绕组原先留在上面的线头折下来 (见图三) ,准备焊在骨架的脚上。 去漆可以用脱漆剂, 用棉签沾一点脱漆剂,抹在线头上,过一会儿,漆就掉下来了,就可以焊了。E) ,再后在整个绕组的外面包几层高温胶带,绕好的线包外观要饱满平整。F) ,现在可以插磁芯了,插磁芯之前要对磁芯的对接面做清洁处理,我是用胶带粘几下,把磁芯对接面的粉末全清洁干净,插入磁芯, 用胶带扎紧, 有条件的话对磁芯对接处用胶水做固定。我发现用这种方法绕制的变压器漏感比较小。以前用铜带绕制,漏感一般在 0.8uH 以上,现在可以做到 0.4uH 以下。我想原因是:因为铜带要焊引出线头,这样就留下了一个锡堆,再绕高压绕组时,中间就有一个空隙,导致耦合不紧。下图为测试漏感示意图。如果有条件,一定要做一个耐压测试,任一个低压绕组对高压绕组的绝缘要在 1500V 以上,这样才可以放心使用。3. AC 输出滤波磁环对于象我这样纯手工打造的爱好者来讲, 这个磁环的绕制也是十分头痛的事。磁环是采用直径 40MM 的 铁硅铝磁环 ,用 1.18 的线,在上面穿绕 90圈, 线长约 4.5 米, 如果用导磁率为 125的磁环, 电感 量大约在 1.5mH ,用导磁度为 90的磁环,电感量大约在 1mH 左右。我做过试验,用二个这样的磁环,每个电感量在 0.7mH 以上就可以正常工作了。绕制时分二层,第一层, 45圈,因为磁环外圈和内圈的周长不同,所以第一层绕时,内圈的线要紧密排列,而外圈的线是每圈之间留有一个空隙的。 绕第二层时, 内圈是叠在第一层线上, 外圈是嵌在第一层线的空隙中, 这样绕出来的线圈才好看。当然,好象是否好看,也不影响使用。下面是我在淘宝上买过磁环的网店 (无意为商家做广告, 只是方便朋友们采购) 。注意,绕这个磁环时,一定要戴手套,否则,导线会让你勒出血泡的。4.散热风扇本机前级功率管和 H 桥的功率管都用风扇散热(安装方法下面再详述) , 这是一种小型 仪表 风扇, 比电脑上的 CPU 风扇还要小一点,实验证明,在 600W 输出的情况下, H 桥的 4个功率管散热不成问题, 但前级的二个功率管好象散热不够一点, 如果有可能,最好用大一点的风扇。这风扇也是在淘宝网上买的,但现在这家店中好象没有了,只能用 其它 差不多的风扇代替了三、安装与调试:本机的安装调试并不复杂,但安装前必须做到二点:1.所有元器件必须是好的,器件的耐压和工作电流一定要够,尽可能用新器件,有条件的话装前对元器件作一番测试。2.PCB 质量一定要好,装前最好仔细地检查一下,有没有铜箔毛刺引起的短路等。下面我讲一讲各板子的安装过程要注意的事项:1.功率主板:功率主板的安装,因为都是一些大器件,所以安装是比较方便的。大功率管的安装: 先把大功率管的脚弯成如下图所示的样子,然后把管子金属面朝上, 将管脚插入焊接孔, 在功率管的金属面上涂一点导热硅脂, 再覆盖一层矽胶片做绝缘。 再把 散热器 盖上,从 PCB 下面升上来一个 M3的 螺丝 ,拧在散热器,并拧紧,这样,散热器就紧紧压在大功率管上了,再在反面把管脚焊好。这种装法,主要是更换功率管比较方便。板子装完后,接入 12V 直流电,见上图,按一下 S1开关,驱动板就开始工作了,测一下工作电流,一般应该在 40MA 左右,将 示波器 探头接到图中 PWM 输出处, 应该看到二路互为相反的PWM 波输出,频率在 28K 左右,幅度为 12V 。因为这块板子,当初我画的时候,是和我的 1000W 机通用的,所以,插针处有二对输出,但在 600W 机中只用了左边的一对。3. SPWM 驱动板SPWM 驱动板, 因为元器件较多, 所以, 安装时一定要细心,元器件不能有问题,也不能装错。特别是板上的高速隔离光藕TLP250 ,买时一定要注意质量,现在淘宝上的价格很乱,我曾经买到很便宜的,全新的才 2.8元一个,结果发现是打磨后重新印字的假货。一般我认为,全新东芝原装的,价格应该在 5-6元的才是真的。装好板子后, 按下图接上 12V 电源, 总电流应该在 120-130MA左右。测 C22 二端应该在 19V 左右, C23 二端为 15V , 说明升压电路部分基本正常。这时,就可以用示波器在 SPWM 输出端测到SPWM 波形,见上图右边的引出脚。 (注意:因为二个上管是自举供电的,所以,在没有接 H 桥的情况下,只能测到二个下管的 SPWM 波形,二个上管的波形暂时测不到的,这是正常的) 。4.整机调试:为了安全起见,一般是前后级分开来调试,等把前后级都调好了,再联起来调试,就方便了。A) .前级的调试:先在电瓶的引线上接一个 15A 的 保险丝 ,功率主板上的高压保险丝不要装,这样,前后级就分开了。插上前级 DC-DC 驱动板,把万用表直流电压 700V 档接在高压电解二端,开机(按一下 DC-DC 驱动板上的 ON 启动开关) ,前级就启动了,功率主板上的高压指示 LED 就亮了,这时,看直流高压为几 V。调试DC-DC 驱动板上的 R12 多圈 电位器 ,使高压输出在 370- 380 V之间。此时, 12V 的电流应该在 200MA 之内,说明前级正常。这里如果看 D 极波形,应该是杂乱的波形,因为是空载限压的状态下,这样的波形是对的。这里,可以稍稍为前级加点负载,可以用二个 100W220V 的灯泡串联起来, 接到高压解的二端, 这时电瓶电流可达到 12A 左右,让它工作一段时间,看看前级功率管有没有温升,如果温升不明显,可以把电瓶保险丝换大点,继续加大负载,一般在功率管散热正常的情况下,前级可以加到 600W 左右。在加载的情况下,再看 D 极波形,应该是正常的方波,稍有点尖峰是没有关系的,如果尖峰过大,说明变压器制作不过关,要重新绕制。B) .后级调试:调好前级后, 再把前级的 DC-DC 驱动板拔下, 在功率主板的高压保险丝座上,装上一个 1A 左右的保险丝,在高压电解二端接上一个 60V 左右的电压, 作为母线电压, 我是用一台双组的 30V电源串起来当成 60V 用。插上 SPWM 驱动板,如果电路没有问题,这时,在 AC 输出端就可以测到正弦波了,电压大约在 40V左右,可以接一个 36V60W 的灯泡做负载。C) .联机在前后级都正常的情况下,可以把前后级联起来,完成整机调试把前级的 DC-DC 驱动板重新插上, 后级 AC 输出端的负载去掉,接上示波器(示波器最好用 1: 100 的高压探头)和万用表( AC700V 档) ,把高压保险丝换成一个 0.5A 的。下面要做的事是: 开机! 即按一下 DC-DC 驱动板的启动开关, 成败在此一举,如果后级元件耐压没有问题, 此时, 应该在示波器上看到正弦波了,波形应该很漂亮。这里,调整 SPWM 驱动板的多圈电位器R7,就可以看到输出电压在变化,把它调在 225 V 左右停下。让机器空载工作一段时间,如果没有出现意外,可以把高压保险丝换成 2A 的, 慢慢加大负载, 一般是 100W , 200W , 400 W,一步一步地加, 每加一点让机器老化一段时间, 同时要密切注意前级功率管的温升,如果温度过高,要查出原因。1000W 正弦波逆变器制作过程详解作者 :老寿电路图献上! !这个机器,输入电压是直流是 12V,也可以是 24V, 12V 时我的目标是 800W,力争 1000W ,整体结构是学习了钟工的 3000W 机器 .具体电路图请参考 :1000W 正弦波逆变器 (直流 12V 转交流 220V)电路图也是下面一个大散热板, 上面是一块和散热板一样大小的功率主板, 长 228MM , 宽 140MM 。升压部分的 4 个功率管, H桥的 4 个功率管及 4 个 TO220封装的快速二极管直接拧在散热板;DC-DC升压电路的驱动板和 SPWM 的驱动板直插在功率主板上。:因 为 电 流 较 大 , 所 以 用 了 三 对 6 平 方 的 软 线 直 接 焊 在 功 率 板 上如上图:在板子上预留了一个储能电感的位置,一般情况用准开环,不装储能电感,就直接搭通,如果要用闭环稳压,就可以在这个位置装一个 EC35的电感上图红色的东西, 是一个 0.6W 的取样变压器, 如果用差分取样, 这个位置可以装二个 200K的降压电阻, 取样变压器的左边, 一个小变压器样子的是预留的电流互感器的位置, 这次因为不用电流反馈,所以没有装互感器, PCB下面直接搭通。上面是 SPWM 驱动板的接口, 4 个圆孔下面是装 H 桥的 4 个大功率管,那个白色的东西是0.1R 电流取样电阻。二个直径 40 的铁硅铝磁绕的滤波电感,是用 1.18 的线每个绕 90 圈,电感量约 1MH ,磁环初始导磁率为 90。上图是 DC-DC升压电路的驱动板,用的是 KA3525。这次共装了二板这样的板,一块频率是27K,用于普通变压器驱动,还有一块是 16K,想试试非晶磁环做变压器效果。H 桥部分的大功率管, 我有二种选择, 一种是常用的 IRFP460, 还有一种是 IGBT管 40N60,显然这二种管子不是同一个档次的, 40N60 要贵得多, 但我的感觉, 40N60 的确要可靠得多,贵是有贵的道理,但压降可能要稍大一点。这是 TO220 封装的快恢复二极管, 15A 1200V,也是张工提供的,价格不贵。我觉得它安装在散热板上,散热效果肯定比普通塑封管要强。这次的变压器用的是二个 EC49 磁芯绕制的,每个功率 500W,余量应该比较大的,初级并联,次级串联。用二个变压器的理由是: 1,有利于功率的输出, 2.变比小了,可能头痛的尖峰问题会少一些。今天对前级进行上电,第一次没有成功,空载电流近 1A,查到是变压器的原因,后来换了磁芯,空载降到 360MA(每个变压器 180MH ,基本可以接受) ,可见磁芯的重要性,而现在要买到几付好的磁性实在太难了。所幸的是 D 极波形很好,这次的变压器应该做得还可以了,参数是:初级 3+3,用 0.2*29 的铜带,次级 44T,用 0.74 线二根。下一步准备为前级加载,因为一台逆变器,能不能输出预定的功率,前级质量是决定因素。 只因那个大功率的开关电源还有一点小问题要解决,所以,加载可能还要过几天。这照片上的稳压电源上显示电流为 450MA, 因为并不是完全空载, 我在高压处挂了一个 LED,用 150K2W 电阻降压,这个指示电路要消耗近 1W 功率,约增加 90MA 的电流。今天对前级进行加载实验,前级为开环,也没有装储能电感,分二步:第一步:加载约 630W,负载是一个 200R、 1KW 的大电阻,这时工作电流为 54.5A。连续工作一小时,散热板和 190N08 大功率管及变压器只有微温, D 极波形还比较好,尖峰刚露,不明显,这时母线高压为 356V。