500w车载逆变电源的设计
车载逆变电源是一种能把汽车上12V直流电转化为220V/50Hz交流电的电子装置，供便携式电子产品和日常电器如笔记本电脑、手机充电器、剃须刀、车载冰箱等使用，是一种常用的车用电子用品。目前大多数车载逆变器输出为修正方波，不适用于感性负载的场合，限制了其使用的范围。正弦波逆变弥补了方波逆变的不足，适用于各种类型的负载，成为今后市场需求的发展趋势。
本设计主要基于开关电源电路技术等基础知识，采用二次逆变实现逆变电源的设计。主要思路是运用推挽电路将12V直流电源升压为400V/50Hz的高频交流电，再经过整流滤波将高频交流电整流为高压直流电，然后采用正弦脉宽调制（SPWM），将400V直流电能通过单相逆变桥转换成220V/50Hz正弦交流电，供负载使用。
本设计具有灵活方便、适用范围广的特点，能够满足基本实践需求。而且本设计采用高频开关工作方式，具有噪声低、响应速度快以及电路调整灵活等优点。设计符合逆变电源小型化、轻量化、高频化以及高可靠性、低噪声的发展趋势。
关键词 车载逆变电源，正弦脉宽调制，推挽电路，正弦波
目录
1 绪论 1
1.1 车载逆变电源的研究背景 1
1.2车载逆变电源的研究现状 1
1.3 车载逆变电源几种经典的主电路拓扑结构 2
1.3.1半桥逆变主电路拓扑 2
1.3.2全桥逆变主电路拓扑 3
1.3.3推挽逆变主电路拓扑 3
1.3.4典型拓扑电路的比较 4
1.4 本章小结 5
2 车载逆变电源的工作原理 5
2.1 基本设计方案 5
2.2 车载逆变电源工作原理 6
2.3 本章小结 7
3 DC/DC电路的设计 7
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
DC/DC电路的工作原理 7
3.2 推挽电路的参数设计 8
3.3 SG3525A集成芯片 12
3.3.1 SG3525A简介及应用 12
3.3.2 SG3525A外围电路及工作原理 14
3.4输入过压保护电路 14
3.5本章小结 15
4 DC/AC全桥逆变电路的设计 15
4.1 DC/AC变换电路的工作原理 16
4.2 DC/AC变换电路的参数设计 17
4.3 TLP250集成芯片 18
4.3.1 TLP250简介及应用 18
4.3.2 TLP250外围控制电路及工作原理 18
4.4 PWM控制技术 20
4.4.1 PWM控制的基本原理 20
4.4.2 PWM逆变电路的控制方法 21
4.4.3 正弦波脉宽调制技术的实现方法 21
4.5 STM32单片机 22
4.5.1 STM32单片机简介 22
4.5.2 STM32单片机控制电路及工作原理 23
4.6输出过电压保护电路 24
4.7辅助电源设计 25
4.8 本章小结 25
5 实物性能测试与分析 26
5.1 DC/DC电路的性能测试与分析 26
5.2 DC/AC变换电路的性能测试分析 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
附录一 整体电路图 32
附录二 实物图 34 1 绪论
1.1 车载逆变电源的研究背景
随着社会的发展，全球已步入了一个移动的时代，移动通讯、移动办公、休闲和娱乐等在生活中随处可见[1]。汽车由最初的代步工具渐渐发展到如今集办公、娱乐于一体的交通工具，这个“移动之家”给生活增添了更多的趣味。特别是中国加入WTO后人民的生活水平、经济条件均显著提高，汽车已经被当成一种享受生活的工具。目前，户外电子设备的需求也越来越多，比如汽车音响、车载DVD、车载冰箱、车载吸尘器、笔记本电脑、手机充电器等，这些电子装置正常均需提供220V交流电作为其输入电源端。正常汽车供电系统采取电压为12V的蓄电池供电方法，所以要使用这些电子设备必须要将蓄电池提供的直流电转变成电压为220V的交流电，即应装备电源转换器，也就是车载逆变电源。它可以在移动中把直流转变成交流给我们的生活带来很多便利，是汽车上常备的一种电子设备。
当前，多数车载逆变器输出为修正方波，在感性负载场合不适用，限制了其使用的范围[2]。而正弦波逆变方式适合于各种类型的负载，适用范围较广，填补了方波逆变的不足，在以后的市场中将会成为主流产品。
当前正弦波逆变器主要采取两级形式，前级直流升压采用推挽电路结构和后级采用全桥逆变电路结构。因其特定的应用场合，所以必须满足以下几个方面的设计要求[3]：（1）在汽车的有限空间内，车载逆变器的体积要小；（2）带载能力强，可以对各类常见的电子设备正常供电；（3）安全、可靠、高效；（4）噪声小，不能因其带来的噪声影响了使用的舒适度；（5）为了保证汽车的正常启动各种仪表指示确保蓄电池不能过度放电必须设有相应的欠压保护。
1.2车载逆变电源的研究现状
当前市面上比较常见的车载逆变电源规格按照功率等级大致可以划分为75W、100W、150W、300W、500W、800W、1000W、1500W、2000W、2500W 等。车载逆变电源的输入端为车载蓄电池，输出端当功率小于150W时，可以直接由点烟器来供电，因为车载点烟器的输出电流约为10A，输出功率约为150W；当大于150W时需要直接用车载蓄电池进行供电不然会因为过流损坏汽车配件。
在国外，并网型逆变器已经比较成熟，可以作为产品向市场推广，像德国比较知名的电气企业西门子已经推出了很多产品且产品非常具有市场化。除了欧洲的一些科技强国实现了并网逆变器的产品化以外，像美国、日本等国家也均实现其并网逆变器的产品化。目前逆变器主要的研究热点问题是最大功率的跟踪和逆变环集成的单级量变换。同时，越来越多的人开始重视小功率逆变器的研发，这些小功率逆变器的控制电路主要采取数字式控制系统，使逆变器在工作时具有安全可靠性和扩展性。
1.3 车载逆变电源几种经典的主电路拓扑结构
逆变电路主要是由一些开关器件组成的变换电路，可以将其分为：隔离式和非隔离式两类。车载逆变电源的主电路多数采取的是隔离式双端逆变方法，目前常用的几种典型主电路拓扑结构包括：半桥式、全桥式、推挽式[4]。
1.3.1半桥逆变主电路拓扑
图1-1半桥逆变电路结构图
半桥电路的工作原理：通过驱动芯片产生两路相反的驱动脉冲分别控制两个开关管S1和S2的导通与关断。当开关管S1开通，S2关断时，电流经开关管S1、变压器T原边绕组、电容C1形成回路，电容C1通过开关管S1与变压器原边绕组放电，同时，电源也通过开关管S1和变压器T原边绕组对电容C2进行充电，A点处电压升高。当开关管S2开通，S1关断时，电流经开关管S2、变压器T原边绕组、电容C2形成回路，电容C2通过开关管S2与变压器原边绕组放电，电源也通过开关管S2和变压器T原边绕组对电容C1进行充电，A点处电压降低；当开关管S1、S2都关断时，若电容C1和C2电容量大小相等，则图中A点电压为电源输入电压的二分之一，能量由变压器的原边向副边进行传送。 在半桥电路中，由于副边整流二极管反向恢复、变压器漏感等问题，当开关管在导通和关断时存在尖峰电流和尖峰电压。但是因为二极管D1、D2起到籍位作用，开关管的两端最高电压为Vcc[5]。
如图3-2所示的推挽电路主要波形，驱动波形对应如图的图腾柱，即驱动脉冲，实现推挽电路上下功率管的交替工作，在变压器的二次侧经过整流以后会得到脉动电压，当开关频率足够高时，电压的连续性会较好，再经过LC滤波后，实现电压如图的连续输出电压波形，即产生稳定的直流电压[8]。
1 绪论 1
1.1 车载逆变电源的研究背景 1
1.2车载逆变电源的研究现状 1
1.3 车载逆变电源几种经典的主电路拓扑结构 2
1.3.1半桥逆变主电路拓扑 2
1.3.2全桥逆变主电路拓扑 3
1.3.3推挽逆变主电路拓扑 3
1.3.4典型拓扑电路的比较 4
1.4 本章小结 5
2 车载逆变电源的工作原理 5
2.1 基本设计方案 5
2.2 车载逆变电源工作原理 6
2.3 本章小结 7
3 DC/DC电路的设计 7
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
DC/DC电路的工作原理 7
3.2 推挽电路的参数设计 8
3.3 SG3525A集成芯片 12
3.3.1 SG3525A简介及应用 12
3.3.2 SG3525A外围电路及工作原理 14
3.4输入过压保护电路 14
3.5本章小结 15
4 DC/AC全桥逆变电路的设计 15
4.1 DC/AC变换电路的工作原理 16
4.2 DC/AC变换电路的参数设计 17
4.3 TLP250集成芯片 18
4.3.1 TLP250简介及应用 18
4.3.2 TLP250外围控制电路及工作原理 18
4.4 PWM控制技术 20
4.4.1 PWM控制的基本原理 20
4.4.2 PWM逆变电路的控制方法 21
4.4.3 正弦波脉宽调制技术的实现方法 21
4.5 STM32单片机 22
4.5.1 STM32单片机简介 22
4.5.2 STM32单片机控制电路及工作原理 23
4.6输出过电压保护电路 24
4.7辅助电源设计 25
4.8 本章小结 25
5 实物性能测试与分析 26
5.1 DC/DC电路的性能测试与分析 26
5.2 DC/AC变换电路的性能测试分析 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
附录一 整体电路图 32
附录二 实物图 34 1 绪论
1.1 车载逆变电源的研究背景
随着社会的发展，全球已步入了一个移动的时代，移动通讯、移动办公、休闲和娱乐等在生活中随处可见[1]。汽车由最初的代步工具渐渐发展到如今集办公、娱乐于一体的交通工具，这个“移动之家”给生活增添了更多的趣味。特别是中国加入WTO后人民的生活水平、经济条件均显著提高，汽车已经被当成一种享受生活的工具。目前，户外电子设备的需求也越来越多，比如汽车音响、车载DVD、车载冰箱、车载吸尘器、笔记本电脑、手机充电器等，这些电子装置正常均需提供220V交流电作为其输入电源端。正常汽车供电系统采取电压为12V的蓄电池供电方法，所以要使用这些电子设备必须要将蓄电池提供的直流电转变成电压为220V的交流电，即应装备电源转换器，也就是车载逆变电源。它可以在移动中把直流转变成交流给我们的生活带来很多便利，是汽车上常备的一种电子设备。
当前，多数车载逆变器输出为修正方波，在感性负载场合不适用，限制了其使用的范围[2]。而正弦波逆变方式适合于各种类型的负载，适用范围较广，填补了方波逆变的不足，在以后的市场中将会成为主流产品。
当前正弦波逆变器主要采取两级形式，前级直流升压采用推挽电路结构和后级采用全桥逆变电路结构。因其特定的应用场合，所以必须满足以下几个方面的设计要求[3]：（1）在汽车的有限空间内，车载逆变器的体积要小；（2）带载能力强，可以对各类常见的电子设备正常供电；（3）安全、可靠、高效；（4）噪声小，不能因其带来的噪声影响了使用的舒适度；（5）为了保证汽车的正常启动各种仪表指示确保蓄电池不能过度放电必须设有相应的欠压保护。
1.2车载逆变电源的研究现状
当前市面上比较常见的车载逆变电源规格按照功率等级大致可以划分为75W、100W、150W、300W、500W、800W、1000W、1500W、2000W、2500W 等。车载逆变电源的输入端为车载蓄电池，输出端当功率小于150W时，可以直接由点烟器来供电，因为车载点烟器的输出电流约为10A，输出功率约为150W；当大于150W时需要直接用车载蓄电池进行供电不然会因为过流损坏汽车配件。
在国外，并网型逆变器已经比较成熟，可以作为产品向市场推广，像德国比较知名的电气企业西门子已经推出了很多产品且产品非常具有市场化。除了欧洲的一些科技强国实现了并网逆变器的产品化以外，像美国、日本等国家也均实现其并网逆变器的产品化。目前逆变器主要的研究热点问题是最大功率的跟踪和逆变环集成的单级量变换。同时，越来越多的人开始重视小功率逆变器的研发，这些小功率逆变器的控制电路主要采取数字式控制系统，使逆变器在工作时具有安全可靠性和扩展性。
1.3 车载逆变电源几种经典的主电路拓扑结构
逆变电路主要是由一些开关器件组成的变换电路，可以将其分为：隔离式和非隔离式两类。车载逆变电源的主电路多数采取的是隔离式双端逆变方法，目前常用的几种典型主电路拓扑结构包括：半桥式、全桥式、推挽式[4]。
1.3.1半桥逆变主电路拓扑
图1-1半桥逆变电路结构图
半桥电路的工作原理：通过驱动芯片产生两路相反的驱动脉冲分别控制两个开关管S1和S2的导通与关断。当开关管S1开通，S2关断时，电流经开关管S1、变压器T原边绕组、电容C1形成回路，电容C1通过开关管S1与变压器原边绕组放电，同时，电源也通过开关管S1和变压器T原边绕组对电容C2进行充电，A点处电压升高。当开关管S2开通，S1关断时，电流经开关管S2、变压器T原边绕组、电容C2形成回路，电容C2通过开关管S2与变压器原边绕组放电，电源也通过开关管S2和变压器T原边绕组对电容C1进行充电，A点处电压降低；当开关管S1、S2都关断时，若电容C1和C2电容量大小相等，则图中A点电压为电源输入电压的二分之一，能量由变压器的原边向副边进行传送。 在半桥电路中，由于副边整流二极管反向恢复、变压器漏感等问题，当开关管在导通和关断时存在尖峰电流和尖峰电压。但是因为二极管D1、D2起到籍位作用，开关管的两端最高电压为Vcc[5]。
如图3-2所示的推挽电路主要波形，驱动波形对应如图的图腾柱，即驱动脉冲，实现推挽电路上下功率管的交替工作，在变压器的二次侧经过整流以后会得到脉动电压，当开关频率足够高时，电压的连续性会较好，再经过LC滤波后，实现电压如图的连续输出电压波形，即产生稳定的直流电压[8]。
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