基于SG3525控制的车载逆变电源设计与实现

引言

随着电子信息产业高速发展，逆变电源被广泛应用于很多领域，一个可靠、优质的逆变电源可以保证系统可靠安全运行，所以，逆变电源是一个重要的研究领域。方波逆变是一种较简单的变换方式，它适用于各种整流负载，不仅技术要求低，而且设计电路比较简单。本文依据方波逆变电源的基本原理，模块化设计了逆变电源的实现电路，包括基于SG3525控制的高频PWM主电路、全桥逆变电路、必要的保护电路和相关驱动电路，并给出实验结果及分析。

1、原理与设计

1.1、逆变电源基本原理

逆变电源采用典型的两级变换：第1级是DC/DC升压变换器，第2级是DC/AC逆变器。DC/DC升压变换由SG3525芯片产生的PWM波将12V直流逆变为高频方波，经高频变压器升压后，变压器副边可获得峰值为155V的高频方波，再经过全波整流获得一个稳定的310V直流电压;DC/AC变换以方波逆变方式，将稳定的直流电压逆变成310V的工频方波电压，该电压有效值约为220V，频率为50Hz，可驱动负载[1]。为保证系统正常运行，需设计反馈电路对系统加以保护并提示其工作状态。保护电路采集高压侧直流电压信号、输出电流信号及蓄电池电压信号，通过比较器电路输入到SG3525控制器，以实现电压调节、过流保护、过热保护、过压保护和欠压保护等功能。

逆变电源系统框图如图1所示。

图1 方波逆变器的结构框图

1.2、硬件电路设计

1.2.1、DC/DC升压变换电路

该逆变电源是输出功率为100W，输入为12V的蓄电池。DC/DC变换采用推挽式电路，推挽电路一般用在输入电压较低的中小功率场合。高频变压器原边中心抽头处接12V蓄电池，原边线圈两端分别接入两组并联的开关管，并联可增大输入电流，以避免由于接入负载后变压器原边电流过大而造成的损坏。SG3525搭建的外围电路输出高频PWM信号，控制两组开关管的交替工作，即Q1Q2和Q3Q4，变压器的副边输出高频方波。并联的开关管可增大输出功率，使输入电路具有更大的耐流值。设计选取NTP60N06型号的开关管，其耐压值为60V，耐流值为60A。推挽式结构能减小变压器体积，降低逆变电源成本。副边绕组输出接成全波整流的形式，升压整流获得310V直流电压。主电路如图2所示。

图2 DC/DC结构变换图

1.2.2、脉宽调制控制器SG3525

SG3525芯片内置5.1V精密基准电源，准确度可达(5.1±0.051)V，它采用温度补偿，设有过流保护;且芯片内部集成振荡电路、误差放大器、PWM信号产生、分相电路和脉冲输出级电路。

SG3525芯片的内部结构框图如图3所示。直流电源从15脚引入后分为两路：一路加到或非门;另一路送到基准电压稳压器的输入端，用于产生(5.1±0.051)V的内部基准电压，5.1V送到内部(或外部)电路的其他元件作为电源。震荡电容一端接至5脚，另一端接地(其取值范围为0.001～0.1μF);震荡电阻一端接至6脚，另一端接地，振荡电路分两路输出。

图3 SG3525芯片内部结构框图

1.2.3、DC/AC全桥逆变电路

如图4所示，DC/AC变换采用单相输出的全桥逆变形式。4个MOS管构成H桥逆变电路，同侧串联的两个MOS管共享一个驱动信号。由于逆变电压较高(310V)，为避免IRF1和IRF2两个场效应管被击穿，此处加入稳压二极管用于限制电压。NE556和CD4013搭建的组合电路产生两路50Hz完全互补方波信号来驱动逆变桥工作;若驱动1为高电平，则三极管Q1导通，IRF1截止，IRF4导通，驱动2为低电平，三极管Q2截止，IRF2导通，IRF3截止。分析可知，IRF1和IRF3通断态相同，IRF2和IRF4通断态相同，逆变桥可导通工作。而在逆变控制电路中，555电路采用单稳态触发器形式产生100Hz的脉冲频率，并保留一定死区时间，避免逆变桥的4个功率MOSFET出现同时导通和短路的情况。

图4 全桥逆变电路图

1.2.4、DC/AC逆变控制电路

DC/AC逆变控制电路由NE556和触发器芯片CD4013搭建而成，如图5所示。12V蓄电池和SG3525产生的5.1V基准电压对芯片供电。集成两个独立555定时器实际电路的NE556芯片构成产生控制电路信号的时基电路，该芯片操作频率高，能提供准确的时间延迟、震荡以及稳定性高和抗干扰强的控制信号。

图5 逆变控制电路

1.2.5、保护电路

保护电路选用两片具有差动输入的四运放LM324，蓄电池12V供电。采集电池电压信号、155V电压采样信号、负载电流信号以及负载温度信号(由PTC电阻采集获得)，信号接入到由两片LM324芯片搭建的电池欠压比较器、电池过压比较电路、负载过流比较器、负载过热比较器和输出欠压比较器中，比较器的输出端信号通过电路与SG3525的10脚(关闭)连接。该引脚控制SG3525的软启动保护和输出级，通过PWM脉冲关断使系统立刻停止工作。

各比较器均采用典型电压比较器电路的设计，放大器输出端获得控制信号。保护电路示意图如图6所示。

图6 保护电路示意框图

2、实验结果

系统输入电压是12V的蓄电池，用示波器观测SG3525输出、带负载波形，记录波形图如图7、图8所示。

根据驱动信号实际产生波形，可调试电路，对尖峰进行滤除和频率调节。

图7 SG3525输出的互补方波

图7中两个通道信号分别从SG3525控制芯片的11和14引脚输出，其波形互补，频率一致，输出电压范围正常，频率约为34kHz，SG3525控制电路工作正常。

图8 负载为8W小台灯输出波形

图8所示为逆变电源带负载工作时的输出波形。为检测该逆变电源[10]输出电压的质量，将逆变电源输出端接入一个8W小台灯。示波器观测负载波形，该波形是一个带阶梯的方波信号，频率为51Hz，该小台灯处于稳定工作状态。

3、结束语

本文采用集成脉宽调制芯片SG3525作为主控芯片，产生高频方波信号驱动开关管，整流之后的直流高压由NE556时基电路和CD4013进行分频，可以实现逆变器的脉宽调制，最终获得逆变电源的设计方案。