12V1000W通用純正弦波逆變器（原理圖+PCB源文件）

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，短路開機(jī)），均沒有損壞機(jī)器，連保險(xiǎn)都沒燒一個(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，開關(guān)損耗小，整流管的壓力也小些，有利于效率的提高。不過頻率低，不利于器件的小型化，高壓直流紋波稍大些，不過這個(gè)關(guān)系不大。電池欠壓保護(hù)，過壓保護(hù)以及過流保護(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來給驅(qū)動(dòng)板供電了。大家都知道，像LM7815之類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)生的尖峰搞沒的。如果變壓器繞制過關(guān)，可以選擇耐壓小點(diǎn)的管子，一般來說，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的，并且留有足夠余量，沒啥問題的。
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100A的電流沒問題了。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。
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沒啥問題。要說明的是，上面給出的參數(shù)我目前還沒實(shí)際做過，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采用專用芯片EG8010產(chǎn)生。EG8010還是挺好用的，雖然精度差些，但是也沒有什么其他不好的，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)過來的，有些東西不方便說，好像是涉及了別人專利問題。我只說，按照我原理圖里面的那些元件搭建起來，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)都還沒買好，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，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，都弄好后，就可以開始布局布線了。綜合的原理圖來了。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，和前面分開講是一樣的。原理圖里寫了注釋，我就不再多說了。