前言:
美國(guó)Vicor公司是現(xiàn)時(shí)世界最大的高密度電源模塊生產(chǎn)商, 同時(shí)也是全球唯一能以零電壓、零電流技術(shù)大批量生產(chǎn)電源模塊的廠家。Vicor電源模塊包括DC-DC、AC-DC電源模塊,隔離、非隔離電源模塊轉(zhuǎn)換器。其中VICOR公司電源模塊的核心技術(shù)是 “零電流”開(kāi)關(guān),它使變換器的工作頻率達(dá)到 了1MHz,效率大于80%。
通用正弦波逆變器功能概述:
本逆變器可設(shè)計(jì)成12V、24V、36V、48V這幾種輸入電壓,12V輸入時(shí)功率可長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到1000W。該逆變器可應(yīng)用于光伏等新能源,也可應(yīng)用于車(chē)載供電,作為野外應(yīng)急電源,還可以作為家用,即停電時(shí)使用蓄電池給家用電器供電。使用方便,并且本逆變器空載小,效率高,節(jié)能環(huán)保。
設(shè)計(jì)目標(biāo):
1、12V、24V、36V、48V通用。
2、12V輸入可長(zhǎng)時(shí)間帶載1000W
3、12V輸入時(shí)最高效率大于90%。
4、短路保護(hù)靈敏,可長(zhǎng)時(shí)間短路輸出而不損壞機(jī)器。
幾種電壓通吃是可以實(shí)現(xiàn)的,只需要改少量參數(shù),就可以,PCB、原理圖都是通用的。
12V輸入時(shí)可以長(zhǎng)時(shí)間帶載1200W,已經(jīng)超越了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
12V輸入時(shí)最高效率為92%,也超越了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
機(jī)器短路保護(hù)也是相當(dāng)靈敏,多次短路(空載短路,帶載短路,短路開(kāi)機(jī)),均沒(méi)有損壞機(jī)器,連保險(xiǎn)都沒(méi)燒一個(gè)。
演示視頻:
設(shè)計(jì)部分:
1、前級(jí)DC-DC驅(qū)動(dòng)原理圖
DC-DC驅(qū)動(dòng)芯片使用SG3525,關(guān)于該芯片的具體情況就不多介紹了。其外圍電路按照pdf里面的典型應(yīng)用搭起來(lái)就OK。震蕩元件Rt=15k,Ct=222時(shí),震蕩頻率在21.5KHz左右。我比較喜歡用20KHz左右的頻率,開(kāi)關(guān)損耗小,整流管的壓力也小些,有利于效率的提高。不過(guò)頻率低,不利于器件的小型化,高壓直流紋波稍大些,不過(guò)這個(gè)關(guān)系不大。電池欠壓保護(hù),過(guò)壓保護(hù)以及過(guò)流保護(hù)在DC-DC驅(qū)動(dòng)上實(shí)現(xiàn)。用比較器搭成自鎖電路,比較器輸出作用于SG3525的shut_down引腳即可。保護(hù)電路均是比較器搭建的常規(guī)電路。DC-DC驅(qū)動(dòng)部分使用了準(zhǔn)閉環(huán),輕載時(shí),準(zhǔn)閉環(huán)將高壓直流限制在380V左右,一旦負(fù)載加重前級(jí)立即進(jìn)入開(kāi)環(huán)模式,以最高效率運(yùn)行。并且使用了光耦隔離,前級(jí)輸入和輸出在電氣上是隔離開(kāi)的,這樣設(shè)計(jì)也是為了安全。下面就是DC-DC驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
2、前級(jí)DC-DC功率主板原理圖
DC-DC功率主板采用的是常規(guī)推挽,8只功率管每只管子單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)電阻,分別用圖騰驅(qū)動(dòng)這8只功率管。變壓器次級(jí)高壓繞組經(jīng)整流濾波后得到直流高壓。輔助繞組經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓之后給后級(jí)SPWM驅(qū)動(dòng)板以及反饋用的光耦供電。
從原理圖上可以看出,給前級(jí)驅(qū)動(dòng)板供電采用了電壓變換電路,輸入為12V時(shí),為了保證在電池電壓較低時(shí)前級(jí)驅(qū)動(dòng)也充足,用LM2577升到15V,輸入24V時(shí),用LM7815降為15V,輸入電壓大于36V時(shí),只能用LM2576HV來(lái)給驅(qū)動(dòng)板供電了。大家都知道,像LM7815之類(lèi)的線性電源容易受到干擾,所以建議24V的也用LM2576。
從原理圖中可以看出,輔助電源也用了LM7815,建議換成LM2576。我這次弄的時(shí)候也會(huì)用LM2576,把LM2576做在一塊小板子上,最后輸出三根線,和LM7815兼容。
關(guān)于前級(jí)驅(qū)動(dòng)變壓器的功率管選擇,耐壓值經(jīng)驗(yàn)選擇為輸入最高電壓*2.4,即當(dāng)12V的機(jī)器,輸入電壓最該為14.5V,14.5V*2.4=34.8V,所以,12V的機(jī)器可以選耐壓35V的MOS。當(dāng)然,這么選擇是有前提的,就是你的變壓器繞制工藝不能太差,漏感、分布參數(shù)不能太大,否則MOS會(huì)被變壓器產(chǎn)生的尖峰搞沒(méi)的。如果變壓器繞制過(guò)關(guān),可以選擇耐壓小點(diǎn)的管子,一般來(lái)說(shuō),電流相同,耐壓更高的管子輸入電容更大,內(nèi)阻也更大。但如果變壓器繞的不咋樣,乖乖選擇耐壓高些的MOS。下面給出各種電壓選擇管子的參考:
12V輸入,4對(duì)IRF4104;24V輸入,4對(duì)IRFP3710;36V輸入:3對(duì)IRFP3710;48V輸入:3對(duì)IXFH58N20 。我給出的這些管子并不是最合適的,但是這些管子都是我用過(guò)的,并且留有足夠余量,沒(méi)啥問(wèn)題的。
下面是DC-DC功率主板原理圖。
關(guān)于變壓器,打算用一個(gè)EE55來(lái)完成。12V輸入時(shí),初級(jí)2T+2T,單邊用1.0的漆包線14跟并繞,截面積達(dá)到11*2=22平方毫米,過(guò)100A的電流沒(méi)問(wèn)題了。次級(jí)1根1.0的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。變壓器用三明治繞法,即次級(jí)、初級(jí)、次級(jí)、輔助。關(guān)于變壓器的具體繞制,后面再說(shuō)。
做24V輸入的,EE55,初級(jí)4T+4T,單邊用1.0的線8根并繞。次級(jí)1根1.0的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。
做36V輸入的,EE55,初級(jí)6T+6T,單邊用1.0的線8根并繞。次級(jí)2根0.9的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。
做48V輸入的,EE55,初級(jí)8T+8T,單邊用1.0的線8根并繞。次級(jí)2根1.0的漆包線繞60T,輔助繞組用0.8的漆包線繞4T。
由于24V、36V、48V輸入時(shí),功率可以大于1000W,因此漆包線的截面積(即漆包線根數(shù))也應(yīng)該增加,那樣才能扛得住更大的功率。按照我上面給的參數(shù),24V時(shí)能到1500W,36V能到2000W,48V搞個(gè)2500W或者3000W沒(méi)啥問(wèn)題。要說(shuō)明的是,上面給出的參數(shù)我目前還沒(méi)實(shí)際做過(guò),給出的參數(shù)只作為參考。
3、SPWM驅(qū)動(dòng)板原理圖設(shè)計(jì)
SPWM采用專(zhuān)用芯片EG8010產(chǎn)生。EG8010還是挺好用的,雖然精度差些,但是也沒(méi)有什么其他不好的,而且功能還挺多,最重要的是便宜,5元一片,都玩得起。關(guān)于EG8010的外圍電路,參照其數(shù)據(jù)手冊(cè)即可。
MOS驅(qū)動(dòng)用IR2110,IR2110便宜,一只2110就可以驅(qū)動(dòng)兩只MOS,而且價(jià)格還比TLP250光耦便宜些,性能也不錯(cuò),我比較喜歡的就是IR2110有SHUT_DOWN引腳,內(nèi)部有D觸發(fā)器,在做保護(hù)時(shí),可以做成逐個(gè)周期限流。即一個(gè)50Hz的正弦周期保護(hù)后,要等到下一個(gè)正弦周期IR2110才會(huì)重新輸出。大家看我做的24V2000W的那個(gè)機(jī)器短路波形可以發(fā)現(xiàn),在短路的時(shí)候,頻率仍然為50Hz,這個(gè)就是IR2110內(nèi)部有D觸發(fā)器的原因了。關(guān)于IR2110供電問(wèn)題,就用自舉供電。1000W的功率不大,自舉供電完全OK,如果做獨(dú)立供電,需要至少三組隔離電源,比較麻煩,并且反激電源并不好做。
后級(jí)MOS的保護(hù)集成在SPWM驅(qū)動(dòng)板上,采用檢測(cè)管壓降,穩(wěn)定可靠,個(gè)人認(rèn)為,比那種用電阻采樣的要更可靠。關(guān)于管壓降保護(hù)的,我不多講,這也是我從別處學(xué)過(guò)來(lái)的,有些東西不方便說(shuō),好像是涉及了別人專(zhuān)利問(wèn)題。我只說(shuō),按照我原理圖里面的那些元件搭建起來(lái),是完全可以的。
該逆變器采用的是單極性調(diào)制,故只需要一只電感,電感可以用外徑在47左右的磁導(dǎo)率小于90的鐵硅鋁來(lái)繞,大概120T左右。具體數(shù)字要等我繞電感時(shí)才能確定,現(xiàn)在磁環(huán)都還沒(méi)買(mǎi)好,電感的事就暫時(shí)放一放。
下面是SPWM驅(qū)動(dòng)板原理圖。
4、后級(jí)DC-AC功率版原理圖設(shè)計(jì)
DC-AC原理圖部分沒(méi)啥好講了,也就是MOS搭成的一個(gè)全橋,在輸出接LC濾波就OK。
DC-AC部分加入了高壓檢測(cè)電路來(lái)控制SPWM驅(qū)動(dòng)板的電源。即直流高壓大于240V時(shí)輔助電源才接通,后級(jí)開(kāi)始工作。還有輔助電源下降時(shí)關(guān)掉SPWM驅(qū)動(dòng)的電路,防止當(dāng)輔助電源降低而高壓直流還較高時(shí)因?yàn)楣β使茯?qū)動(dòng)不足引起的炸管事故,增加這個(gè)功能后就可以安全的短路關(guān)機(jī)了,不然的話(huà),短路關(guān)機(jī)是很危險(xiǎn)的。
下面是DC-AC功率版原理圖。
5、原理圖綜合
由于有了做上一版24V逆變器的經(jīng)驗(yàn),所以這次我不打算再像上次那樣做成幾個(gè)模塊了。這次我做成一個(gè)整體的,即把DC-DC升壓以及DC-AC逆變都做在一張板子上,所以還需要一個(gè)原理圖綜合的部分,把原理圖綜合起來(lái),都弄好后,就可以開(kāi)始布局布線了。綜合的原理圖來(lái)了。這個(gè)原理圖是我這次做的機(jī)器的依據(jù)。這次我做的機(jī)器就是下面一張大的主板,主板上面是功率器件,然后前級(jí)驅(qū)動(dòng)、SPWM、溫控風(fēng)扇是小板子插在主板上面,甚至代替LM7815的LM2576的小板子也是插在主板上的,大伙覺(jué)得這樣設(shè)計(jì)如何?反正我是比較喜歡。下面是整個(gè)機(jī)器的原理圖,和前面分開(kāi)講是一樣的。原理圖里寫(xiě)了注釋?zhuān)揖筒辉俣嗾f(shuō)了。