一款基于脉宽调制芯片TL494的微型车载逆变器设计电路 - 全文

　　摘要：针对汽车内部直流电源不能用于交流用电器的问题，设计了一款基于脉宽调制芯片TL494的微型车载逆变器。该逆变器采用DC－DC变换和DC－AC逆变两级结构，前级完成直流升压，后级选择脉宽调制（PWM）控制方式，将直流电压逆变为220V／50Hｚ的方波交流电。其中，DC－DC变换器先通过推挽逆变电路和高频变压器将12V变换为22V交变方波，再经快恢复二极管整流得到22V直流电。另外，该逆变器提供了一个标准USB接口，可以为具有USB接口的手机等设备充电。

　　汽车内部的供电系统是由蓄电池提供的12V直流电，车内的12V电源一般供点烟器使用。随着现代汽车用电设备种类的增多，内置的单一直流电源不能满足如手提电脑、手机充电器、小型电视等所需220V交流电的需求。这就需要逆变器将12V直流电转换为220V交流电，同时，以上商用或一般生活用的设备对交流电压的波形要求不高，方波即可，不必需要正弦波［1－2］。基于这样的应用背景，本文设计制作了一款微型车载逆变器，体积小、重量轻，采用方波输出，电压有效值为220V，功率可达150W。

　　1逆变器系统结构

逆变器系统框图如图1所示，整个结构分两级，第一级为DC－DC变换，第二级为DC－AC变换。同时利用MC34063构成降压式变换器提供5V直流输出的标准USB接口。

　　

　　图1逆变器系统框图

　　车载逆变电源需要采用开关变换器将蓄电池提供的12V直流电经过DC－DC变换器提升为22V，后级再经过DC－AC变换器转换为工频交流电。对于前级DC－DC变换器，又包括高频DC－AC逆变部分、高频变压器和AC－DC整流部分。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用，尤其是在低压大电流输入的中小功率场合；同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点［3］；而全桥逆变电路开关管需要的电压不高，输出功率也比较大，变压器利用率高，因此本文采用推挽逆变－高频变压－全桥整流－全桥逆变的结构。

　　2硬件电路

　　2．1TL494简介

　　TL494是一种频率固定的脉冲宽度控制器，片内集成误差放大器，死区时间可控制，输出控制可用于推挽式和单端式。其内部结构如图2所示，时序图如图3所示。

　

　　图2TL494内部结构图

　

　　图3TL494时序图

　　2．2DC－DC变换电路

　　DC－DC变换电路如图4所示。采用推挽式电路，高频变压器初级绕组中心抽头接蓄电池12V，线圈两端接开关管MOS1和MOS2，触发信号由TL494提供，间隔180°。MOS1导通时，MOS2截止，蓄电池12V电压加在初级绕组W12和MOS1构成的回路上，绕组W12上感应出的电压与蓄电池电源电压相等，同名端为正极性，次级绕组W2感应电压上正下负。MOS2导通时，MOS1截止，蓄电池12V电压加在初级绕组W11和MOS2构成的回路上，绕组W11同名端为负极性，次级绕组W2感应电压上负下正。这样，次级绕组W2上得到了脉宽180°的交变方波电压，再经快恢复二极管D7～D10全波整流后得到22V直流电压。

　　TL494的工作开关频率由第6脚的电阻和第5脚的电容共同决定。较高的开关频率可以减小高频变压器体积，降低成本，但太高的开关频率会增加功率开关管的损耗，对散热要求较高，开关频率太低使得变压器体积必须增大，导致整体成本增加。考虑到本逆变器有小型风扇散热，为了减小体积，使之便于携带，本电路设定开关频率为50ｋHｚ，从而使高频变压器可以做得很小。

　　2．3高频变压器绕组设计

　　（1）初级绕组匝数

　　设推挽电路的初级绕组匝数W11＝W12＝W1，由法拉第定律有：V1＝KfFW1BMAｅ（1）

　　式中：V1为输入电压；F为开关频率；Kf为波形系数，方波为4．0，正弦波为4．4；BM为最大磁通密度；Aｅ为磁芯截面积。

　　由式（1）可得：W1＝VI／（KfFBMAｅ）。
（2）次级绕组匝数

　　W2＝（V2／V1）W1（2）

　　其中，V2为次级绕组电压，这里为22V直流电压和快恢复二极管压降之和。

　

　　图4DC－DC变换电路

　　（3）绕组导线计算

　　导线截面积为S1＝I1／J1，I1为各绕组电流有效值；J1为电流密度，一般为3～5A／MM2。导线直径为D1＝槡4S1／π。

　　铜导体穿透深度：

　　

　　式中：ρ为铜导体电阻率，25℃时ρ＝1．72×10－8Ω·M；R为铜导体电导率；μ0为真空磁导率；F为工作频率。

　　选取导线时，应使线径小于2δ，并采用直径小于2δ的多股导线并绕，或采用宽而薄的铜导线绕制，铜箔厚度小于［4］2δ。

　　2．4DC－AC变换电路

　　DC－AC变换电路如图5所示。采用全桥逆变形式，由于不需要变压器升高或降低电压而是直接向负载供电，使得逆变器的体积可以减小。MOS4和MOS5为一组，MOS3和MOS6为一组，两组功率管轮流导通。选择脉宽调制（PWM）控制方式，具体塬理为：MOS5和MOS6轮流导通180°，MOS3和MOS4也是同样的方式。

　　

　　图5DC－AC变换电路

　　下桥臂MOS4和MOS6的触发信号要比上桥臂MOS4和MOS5早，这样有利于上桥臂功率管的触发。

　　桥式逆变电路的4个NMOS功率管选择IR－FR320，该管最高耐压400V，最大电流为3．1A，输入阻抗极高，漏源电阻仅为1．8Ω。并且为了减小逆变器的体积，选择了TO－252AA贴片式封装。

　　2．5USB充电接口

　　该逆变器带有一个标准USB接口，可提供5V直流电压输出。输出电流可达500MA，能为具有USB接口的手机、MP3供电，具体电路如图6所示。

　　

　　图6USB输出电路

　　利用单片双极性线性集成电路MC34063构成开关式降压变换器。MC34063能在3～40V的输入电压下工作，输出开关电流可达1．5A，输出电压可调，工作振荡频率从100Hｚ～100ｋHｚ。

　　3实验结果

　　依据上述方案设计制作了逆变器，并进行了实验，体积为９MM×6MM×1．4MM。采用12V开关电源作为直流输入，交流输出端经过220V到９V变压器降压后，利用优利德UNI－TUT2025C数字示波器测量了输出波形，如图7所示。

　　

　　图7降压后的输出波形

　　4结语

本文设计一款基于TL494的微型车载逆变器，包括DC－DC直流升压变换和DC－AC逆变两级电路结构，系统体积小、重量轻、便于携带，适用于车载使用。经实际运行测试，该逆变器输出功率可达150W，工作稳定可靠，可满足一般交流设备的用电需求。同时，所配有的标准USB接口可为手机等具有USB接口的设备充电，具有较强的实际应用价值。