全硬件純正弦逆變器制作教程

ID:70416 · 發表于 2014-12-13 22:02

注:此文章參考了部分電源網老壽老師和老礦石老師的研究成果

做一個純正弦逆變器,這個想法9個月之前就有了.做個逆變器,高頻的,效率高,體積小.前級肯定用SG3525或者TL494做的推挽升壓,這沒啥選擇,關鍵是后級,它決定輸出波形是方波還是正弦波. 輸出正弦波的后級需要SPWM技術,肯定很多人的第一想法是使用單片機.的確,使用單片機的好處不少:SPWM波精度高,輸出正弦波波形好,穩壓精度高,方便加入電壓指示功能等,單片機確實非常適合工業量產.但是對于咱們玩家,可不是這樣了.單片機不是人人可以掌握的,即便掌握,像我這種只會做電子鐘紅外遙控之類的初級玩家也很難寫出好的SPWM程序.因此,我考慮了全硬件方案.

高頻前級（原理分析）
在HIFI界，有一句話說前級出聲后級出力，同樣在逆變界，有前級出功率后級出波形之說。一個好的前級是多么的重要，是確保足夠功率輸出的保證。

這就是前級電路圖啦~
電路采用了光藕隔離反饋,工作在準閉環模式.輕載或者空載時,由于變壓器漏感,輸出可能超壓,容易穿后級和電容.此時占空比減小輸出降低,實測在空載時占空比很小很小,這大概是空載電流小的原因吧（空載電流神一般的~60mA~）.
當負載變大后,電路逐漸進入開環模式,以確保足夠的電壓和功率輸出.
注：本圖根據老礦石的作品修改
全硬件純正弦后級（原理分析）
老壽老師很久之前就弄過全硬件了，他的方案有SG3525和lm393兩種，前者簡單，但是最大占空比低（母線電壓利用率低），后者最大占空比理論上可以弄到100% （實際也很高）但是電路有點復雜，而且需要雙電源供電。我把它們融合了一下，得到了自己的電路。

這是后級的框圖
本電路優點:
1.電路極簡單,可能為世界上最簡單的分立SPWM電路
2.單電源寬電壓供電(10V-30V)
3.輸出最大占空比高,仿真時最大占空比已經接近100%.這將導致母線電壓利用率高,母線電壓340V就足夠產生230V的工頻正弦交流電.
4.隔離輸出,受外圍電路干擾少
本電路沒有使用穩壓反饋,故穩壓功能全靠前級完成.前級一般由SG3525或者TL494組成,穩壓功能不用可惜了.
看本圖,由于使用了虛擬雙電源,因此單電源供電即可,省略一個輔助電源變壓器.
再看驅動板電路圖(紅圈里的內容是修改過的部分):

麻雀雖小,五臟俱全.
如圖,LM7809將電池電壓降為穩定的9V,這使得電路可以在寬電源(10V-30V)情況下工作,左上角紅圈里的2N5551和2N5401等元件組成了虛擬雙電源,將正9V變成正負4.5V的雙電源.
NE555及周邊元件組成頻率約為20KHz的高線形度三角波振蕩器,如圖,在NE555的2和6腳可以得到在3V和6V之間運動的三角波.
IC1為LM324,IC1A及周邊元件組成50Hz工頻正弦振蕩器,產生幅度4.5V的正弦波(對于產生的虛地),圈一電位器將這個正弦波幅度分壓到3.5V.IC1B和IC1C及周邊元件組成精密整流電路,將正弦波變成3V幅值的饅頭波.這個饅頭波要去和NE555的三角波比較,三角波和饅頭波的幅值雖然向同,都是3V,但是這個饅頭波的最低電位比三角波的高1.5V.因此,IC1D及周邊元件組成減法電路,將饅頭波整體下調1.5V,這樣三角波和饅頭波就可以比較了.LM393B進行比較工作,產生同相位的SPWM波,此波與LM393A組成的正弦波-方波轉換器輸出的同步方波送入CD4081等組成的編碼電路進行編碼,產生最終驅動功率管的SPWM信號.兩個20K電阻和47P電容用于產生死區于高頻臂.SPWM1和SPWM2用于驅動高頻臂，50HZ1和50HZ2用于驅動工頻臂。
本電路設計巧妙的地方之一就是虛地和實地的轉換.LM393A之前電路是工作在虛地狀態的,而LM393之后的電路卻變成了實地.因為4.5V的交流(對于虛地)對于實地來說是個9V的脈沖.LM393B周邊電路也是類似原理.
然后看H橋電路圖（紅圈里的內容是修改過的部分）:

后級是很普通的，沒啥創新。下臂的IRFP460采用光藕直接驅動,上臂的IRFP460采用自舉電容+光藕驅動.工作原理簡述:當下臂導通時,高頻橋的功率管的中點相當于接地,此時220uF的自舉電容通過FR107和下臂管充電,當下臂管關斷上臂導通時,220uF電容與地隔離,當TLP250內部三極管導通后,相當于給上臂管的GS之間施加一個電壓,因此上臂管可以在與之對應TLP250的控制下導通和關斷.
1mH電感和一個400V 1uF電容用來完成高頻濾波的任務,把高頻SPWM方波變成50Hz的正弦波.
三、整機組裝和元件選擇
整機可以分兩塊板做，一塊是后級的SPWM板（控制板），推薦使用熱轉印法制作一個PCB，因為用萬用板難度實在太大。另一塊是前級和后級H橋（功率管），用一塊大萬用板做。SPWM板插在功率板上。
我的萬用板布局（制作時擺出來的，僅供參考）：

這是實物：

首先繞制變壓器。變壓器的繞法很講究的，繞不好會導致漏感大炸前級功率管，亂繞更是做死……..變壓器采用EE55磁芯和骨架，初級2+2，次級65，輔助繞組3。
繞制方法如下：

在磁芯上繞27匝，也就是一層次級，用1mm的漆包線，然后用絕緣膠袋包好包緊。
繞次級，用0.8mm的漆包線8根并繞，繞兩個2匝，然后用膠帶包上
示意圖：

實物圖：

繞下一層次級（27匝），然后用膠帶包上
繞下剩下次級（11匝）
繞輔助繞組，然后用膠帶包上
清潔磁芯的對接面然后插入磁芯，用膠帶固定之
繞好之后要進行漏感測試，測試方法是短路高壓繞組然后測初級電感即是漏感，如果漏感太大要重繞變壓器，漏感不要超過2uH!
然后在萬用板上搭建前級（前級那張電路圖的全部）。前級的圖騰柱三極管選用8050\8550或者D669\B649對管（我用后者），功率管為了避免過大損失，先倆IRF3205做調試。后級的整流二極管選用耐壓〉600V電流8A以上的快恢復二極管，我選用的型號是MUR1560T，此外還可以使用MUR860T、MUR8120等二極管，實在不行用HER607代替得了（輸出功率受影響）。3525邊上的電位器是調前級頻率的，先調到9.8K，以后愿意可以微調以獲得最佳效率。反饋那個電位器是調空載或者輕載時電壓反饋的，調到3.16K，這樣空載電壓被限制在380V左右，對于電容和后級功率管安全的（當前后級聯機后，后級的AC濾波部分會消耗一小部分功率，這個電壓會被拉低，先不用考慮）。那個450V0.22uF的無極性電容不可不裝，它的作用是濾去母線上的各種干擾信號，保障后級H橋可靠工作。和電池并聯的那個10000uF（10mF）電容不可不裝，否則不出功率。至于那個450V470uF電容先不用裝，為了避免電擊。
最后可以試機了，對于第一次試機的同志，簡易串燈泡（12V20W），以避免損失。如果通電后燈泡一直亮，那說明短路啦，趕緊斷電檢查。如果燈泡只在通電瞬間亮一下，那說明基本沒問題，可以直接接電瓶了，測試空載電流（小于100mA）母線電壓（380V左右）和輔助電源電壓（15V），如果都符合，那就進行加載測試。找個100W白熾燈，接在母線和后級地之間。通電，觀察功率管的溫度，如果升溫過快嚴趕緊斷電，找出原因，如果微熱或者壓根不升溫，那就說明前級成功了，開始弄后級控制板（SPWM板）吧~

SPWM板強烈推薦使用熱轉印制作PCB（此PCB包括第二張電路圖和后級H橋的TLP250、FR107、200歐電阻、220uF電容），洞洞板焊出來估計得要命……首先焊好所有元件，然后用示波器查看A點波形,調節IC1A下面的電位器，使波形最好振幅最大；再.調整圈1電位器使其滑動端(B)對虛地有3V幅值(對虛地)的正弦波脈沖,此時在C點可以看到幅值3V頻率100Hz的饅頭波(對虛地)；調整圈2電位器,是其滑動端對地(實地)有1.5V電壓,繞后用示波器同時觀察三角波和減法電路輸出的饅頭波，調節圈1電位器和圈2電位器使三角波和饅頭波在同一范圍內，即三角波能包住饅頭波，饅頭波還可以“在三角波里頂天立地”，再測試F輸出的50Hz脈沖方波，在LM393B的輸出端應該可以測到SPWM脈沖。最后測試SPWM1、SPWM2、50HZ1和50HZ2的波形，應為下圖：

看到它，就說明基本成功了。

最后弄后級H橋。
弄之前先把后級的AC濾波磁環弄好，用1mm漆包線在內徑20mm的鐵硅鋁磁環上繞90匝，線長約4.5m。繞好之后電感在700uH以上的都能用。（友情提示：繞該磁環一定要帶上手套，否則你的手會被勒出血泡！我是受害者啊！）
把功率板上的后級H橋的功率管、AC濾波LC裝好，這里我們使用IRFP460LC組成H橋。再裝上裝好之后H橋先不接母線高壓，而接輔助電源的15V！有的同志可能會問這是為什么，我這么做是為了減小損失。。。。。。。上電之后測AC濾波器輸出，什么？是方波？！沒事兒，臨時在輸出加個180歐的負載立馬變正弦波了。如果正常的話H橋就直接接母線了，在輸出那里加2個并聯的100K1W電阻做假負載（這機器是單極性調制，空載輸出方波…..），以輸出正弦波。改變電路后的初次上電一定要串燈！！！不然功率管炸爛你家！！！有高壓探頭的朋友可以看看輸出波形，我是拿變壓器降壓后看的，過零點波形有點屎……沒辦法，電路缺陷…….不過影響不大……..
得到正弦波之后，不串燈泡，測空載電流，在700mA 之下可以接受，我的是500mA。
加點負載玩吧，用燈泡、變壓器、手機充電器（閑置的）、電動機之類的，同時關注前級功率管升溫，據我觀察后級H橋升溫困難…………
這些都弄好之后，可以換上前級的牛管了------IRFP2907。IRFP2907，場管中的戰斗機哦耶！又一個純正弦逆變器誕生啦~
四、我研制純正弦逆變器的歷史
1、2010年12月，看見555可以做D類放大器之后嘗試用它做SPWM調制，失敗
2、2011年6月中，在電源網上看到純正弦逆變器做得如火如荼，我再次準備制作
3、2011年7月中，成功打造1前級，300W，欲仿制電源網老壽的555+393純正弦方案，但是由于時間緊迫，最后只好以方波后級收場….
4、2011年8月初，我開始準備弄555+393的SPWM的PCB，設計出來了并完成了校對
5、2011年10月4號，我突然有個想法自己設計一個SPWM電路，于是花了幾天把老壽的3525和555+393融合了，產生了自己的電路
6、2011年10月11號，我在科創論壇上發布了自己設計的SPWM電路
7、2011年10月15號，我修正了下電路，不過事后證明此修改是錯誤的（減法電路的47K電阻）
8、2011年10月，我用Multisim進行了多次仿真，證明了此電路的可行性
9、2011年11月3日，我開始設計PCＢ
10、2011年11月19日，我在科創上發布了PCB
11、2011年12月19號，SPWM板開做，制作了PCB、完成了振蕩器部分
12、2011年12月20號，修正了虛擬雙電源電路，完成了精密蒸餾、減法電路、SPWM發生器（不工作）、同步方波發生器（不工作）
13、2011年12月21號，為SPWM發生器和同步方波發生器增加了上拉電阻，工作了
14、2011年12月22號，裝好SPWM控制板并加H橋調試
15、2011年12月23號，開始繞變壓器（銅帶初級）當晚實驗發現漏感大
16、2011年12月24號，在多次燒毀前級功率管后決定用漆包線重繞變壓器
16、2011年12月26號，重繞變壓器完畢，加前級加反饋實驗成功，空載電流降低到60mA，修改高頻臂的自舉電容到220uF50V
17、2011年12月27號，前后級聯機失敗，燒毀工頻臂
18、2011年12月28號，修改了工頻臂的驅動方式，正式安裝了AC濾波LC，測試輸出正弦波AC成功，帶電動機、工頻變壓器成功
19、2011年12月29號，全硬件純正弦逆變器在科創論壇和電源網上發布
20、2012年1月6號，在老爸的幫助下加工了外殼和散熱器
21、2012年1月7號，安裝了面板、散熱器并增加了電池電壓指示功能
22、2012年1月13號，逆變器在持續帶200W左右的負載時后級TLP250燒了一個，PCB上銅箔燒斷，更換為正品TLP250后完全正常