500w车载逆变电源.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：7.06M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

声明

摘要

英文摘要

插图索引

第1章绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 车载逆变电源的研究现状及发展方向

1．3 车载逆变电源的典型拓扑结构

1．3．1 前级DC／DC升压拓扑结构

1．3．2 后级DC／AC逆变拓扑结构

1．3．3 逆变器的调制方式

1．4 本文的主要研究内容

第2章系统设计方案的选择

2．1 系统的参数要求

2．2 系统拓扑结构选型

2．3 本章小结

第3章前级升压电路(DC／DC)的设计与实现

3．1 推挽电路的工作原理分析

3．2 推挽电路的元器件选型

3．2．1 功率开关管的选型

3．2．2 整流二极管的选型

3．2．3 滤波器的设计

3．3 高频变压器的设计

3．3．1 磁芯型号的确定

3．3．2 绕组线径的确定

3．3．3 高频变压器的绕制

3．3．4 高频变压器的测试

3．4 推挽拓扑控制电路设计

3．4．1 TL494芯片简介

3．4．2 基于TL494的控制电路设计

3．5 直流母线电压控制电路设计

3．5．1 主要元器件介绍

3．5．2 母线电压控制电路设计

3．6 本章小结

第4章后级逆变电路(DC／AC)的设计与实现

4．1 全桥逆变电路的工作原理分析

4．2 全桥逆变电路的元器件选型

4．2．1 功率开关管的选型

4．2．2 输出滤波器的设计

4．3 SPWM触发波形的生成

4．3．1 SPWM波形产生原理

4．3．2 单片机相关模块的配置

4．4 死区产生电路与驱动电路设计

4．4．1 死区产生电路设计

4．4．2 驱动电路设计

4．5 保护电路设计

4．5．1 电池欠过压保护电路设计

4．5．2 过流保护电路设计

4．5．3 桥臂短路保护电路设计

4．5．4 缓冲吸收电路设计

4．6 输出电压反馈电路设计

4．7 自举电源电路设计

4．8 单片机外围电路设计

4．8．1 复位电路与震荡电路设计

4．8．2 串口下载电路设计

4．8．3 关断电路设计

4．9 本章小结

第5章软件设计

5．1 程序流程图

5．2 系统的控制策略

5．3 本章小结

第6章实验结果分析

6．1 前级升压电路测试结果分析

6．1．1 触发电路测试波形分析

6．1．2 推挽电路输出波形分析

6．2 后级逆变电路测试结果分析

6．2．1 SPWM触发波形分析

6．2．2 驱动电路测试波形分析

6．2．3 全桥逆变电路测试波形分析

6．3 车载逆变电源的性能测试

6．3．1 车载逆变电源的效率测试

6．3．2 输出电压的谐波分析

6．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录

学校代号：10731 学密号：112080805003 级：公开兰州理工大学硕士学位论文 500W车载逆变电源的研究与设计学位申请人姓名! 堡±廑导师姓名及职称；鱼[渣熬援培养单位；电氢王捏皇信星王猩堂暄专业名称! 电王堡途皇堑蕉丕论文提交日期1 2Q!垒生鱼且15目论文答辩日期； 2Q!垒生§旦22旦答辩委员会主席；董连鹰熬援

The Research and Design for Automotive Inverter Power Supply of 5 00W by REN Shikang B．E．(LuDong University)201 1 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering Electrician Theory and New Technology in the Graduate School of Lanzhou University of Technology Supervi sor Professor Bao Guangqing May,2014

兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：任t压日期：20 7中年 g月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密口，在年解密后适用本授权书。 2、不保密留。 (请在以上相应方框内打“4”) 作者签名：导师签名： t ．恧 t，互．矽伍“叼日期：2撕年／月多日日期汰萨多月／o日

硕士学位论文目录摘要…………………………………………………………………………………I Abstract……．．．．．．．．………．．．．……………．…．．，．．．．．………………………………………………………．II 插图索引……………………………………………………………………………IV 第1章绪论……………………………………………………………………．．1 1．1 课题背景与意义……………………………………………………………1 1．2 车载逆变电源的研究现状及发展方向……………………………………l 1．3 车载逆变电源的典型拓扑结构……………………………………………2 1．3．1前级DC／DC升压拓扑结构………………………………………………一2 1．3．2后级DC／AC逆变拓扑结构………………………………………………4 1．3．3逆变器的调制方式………………………………………………………5 1．4 本文的主要研究内容………………………………………………………6 第2章系统设计方案的选择……………………………………………………7 2．1 系统的参数要求……………………………………………………………7 2．2 系统拓扑结构选型…………………………………………………………7 2．3 本章小结…………………………………………………………………一8 第3章前级升压电路(DC／DC)的设计与实现………………………………9 3．1 推挽电路的工作原理分析…………………………………………………9 3．2 推挽电路的元器件选型…………………………………………………一1l 3．2．1功率开关管的选型……………………………………………………．11 3．2．2整流二极管的选型……………………………………………………一12 3．2．3滤波器的设计…………………………………………………………．12 3．3 高频变压器的设计………………………………………………………．13 3．3．1磁芯型号的确定…………………………………………………………．13 3．3．2绕组线径的确定………………………………………………………．15 3．3．3高频变压器的绕制……………………………………………………．15 3．3．4高频变压器的测试……………………………………………………．16 3．4 推挽拓扑控制电路设计…………………………………………………．17 3．4．1 TL494芯片简介…………………………………………………………17 3．4．2基于TL494的控制电路设计…………………………………………．1 8 3．5 直流母线电压控制电路设计……………………………………………．19 3．5．1主要元器件介绍………………………………………………………．19 3．5．2母线电压控制电路设计………………………………………………一20 3．6 本章小结…………………………………………………………………21 第4章后级逆变电路(DC／AC)的设计与实现……………………………一22 4．1 全桥逆变电路的工作原理分析…………………………………………一22

500W车载逆变电源的研究与设计 4．2 全桥逆变电路的元器件选型……………………………………………．25 4．2．1功率开关管的选型……………………………………………………．25 4．2．2输出滤波器的设计……………………………………………………．26 4．3 SPWM触发波形的生成……………………………………………………27 4．3．1 SPWM波形产生原理…………………………………………………．27 4．3．2单片机相关模块的配置………………………………………………一28 4．4 死区产生电路与驱动电路设计…………………………………………．．30 4．4．1死区产生电路设计……………………………………………………．30 4．4．2驱动电路设计…………………………………………………………．3 l 4．5 保护电路设计…………………………………………………………………32 4．5．1电池欠过压保护电路设计……………………………………………．．32 4．5．2过流保护电路设计……………………………………………………．33 4．5．3桥臂短路保护电路设计………………………………………………．．33 4．5．4缓冲吸收电路设计……………………………………………………一34 4．6 输出电压反馈电路设计……………………………………………………35 4．7 自举电源电路设计………………………………………………………．36 4．8 单片机外围电路设计……………………………………………………。37 4．8．1复位电路与震荡电路设计……………………………………………．．37 4．8．2串口下载电路设计……………………………………………………．38 4．8．3关断电路设计…………………………………………………………．39 4．9 本章小结…………………………………………………………………40 第5章软件设计………………………………………………………………．41 5．1 程序流程图………………………………………………………………41 5．2 系统的控制策略…………………………………………………………．43 5．3 本章小结…………………………………………………………………43 第6章实验结果分析…………………………………………………………．45 6．1 前级升压电路测试结果分析……………………………………………．46 6．1．1触发电路测试波形分析………………………………………………一46 6．1．2推挽电路输出波形分析………………………………………………一47 6．2 后级逆变电路测试结果分析……………………………………………．47 6．2．1 SPWM触发波形分析…………………………………………………．47 6．2．2驱动电路测试波形分析………………………………………………一48 6．2．3全桥逆变电路测试波形分析…………………………………………．．50 6．3 车载逆变电源的性能测试………………………………………………．．51 6．3．1车载逆变电源的效率测试……………………………………………一5l 6．3．2输出电压的谐波分析…………………………………………………一52 6．4 本章小结…………………………………………………………………53 总结与展望…………………………………………………………………………54

硕士学位论文参考文献……………………………………………………………………………．56 致谢………………………………………………………………………………59 附录A攻读学位期间发表的学术论文目录………………………………………60

硕士学位论文摘要近几年，汽车己由最初的代步工具逐渐发展成为集办公娱乐为一体的交通工具：除了常见的车载DVD音响系统外，车载电视，车载冰箱，笔记本电脑等电器产品也成为人们的需求，而这些产品大部分需要220V／50Hz的正弦交流电供电。一般私家轿车的蓄电池只能提供12V的直流电压，逆变电源能将12V的直流电压转换成220V／50Hz的交流电供一般电器产品使用，因此研究一款性能比较高的车载逆变电源具有十分重要的意义。传统的车载逆变电源主要以典型的纯正弦波集成芯片为主控芯片，电路结构复杂，启动困难，且不易做系统功能的扩展设计。本文设计了一种以单片机为主控芯片的两级式级联车载逆变电源，对驱动电路进行改进，保证了开关管的可靠导通与关断，对控制策略进行改进解决了以往车载逆变电源启动困难的问题，另外还增加了桥臂短路保护电路的设计。系统前级升压电路以TL494为主控芯片，采用推挽拓扑结构，利用高频变压器对12V直流电压进行隔离升压，因前级与后级之间的非共地问题，利用可编程精密稳压源TL431和线性光耦PC817，结合次级绕组辅助电源组成直流母线电压负反馈电路来确保直流母线电压处在设定范围内。为防止蓄电池欠过压，还对相应的保护电路进行了设计。该部分内容讲述了功率开关管、整流二极管及滤波器等元器件的选型原则，重点介绍了高频变压器的设计过程及相关电路的工作原理。系统后级逆变环节主要包括硬件设计和软件设计两部分。硬件电路以宏晶 (STC)系列的工业用单片机STCl2C5A60S2为主控芯片，采用SPWM控制技术，结合死区产生电路及驱动电路，对单相全桥逆变电路进行控制。并且还对输出过流、桥臂短路保护电路，缓冲吸收电路进行了设计。在软件设计部分，利用单片机实现了SPWM触发波形的生成及输出电压的闭环反馈，并且电池欠过压、输出过流、桥臂短路的检测保护动作也由软件来实现，此外，还增加了串口通信监视功能对系统的输入输出状态进行实时观测，保证系统的正常运行。最后，对提出的设计方案原理进行了仿真验证，并研制了实验样机。对前级升压电路、后级逆变电路各关键工作点的波形及逆变电源的性能进行了测试分析。实验结果表明，该系统的控制方案稳定、可靠，并且该逆变电源具有体积小、散热好、噪声小、易启动的特点，既便于安装也适合产品化生产。关键词：逆变电源；升压；推挽拓扑：全桥逆变：SPWM

Abstract In recent years，the car has gradually developed into a collection of office and entertainment transportation from an original traffic tool：besides the common car DVD system，ear TV，car fridge，laptop and other electronic products also become the demands of people，but most of these appliances require a sinusoidal AC power supply of 220V／50Hz．The private car batteries call only provide a DC voltage of 1 2V， the power inverter can convert the DC voltage into a sinusoidal voltage of 220V／50Hz for the electronic products，SO it would be very meaningful to develop a high performance automotive inverter power supply． Most of traditional automotive inverter power supplies are controlled by the typical sinusoidal integrated chips，SO it is difficult to do the further design，the circuit structure is complicated，and they are hard to start．This paper introduces a design idea of two-stage automotive inverter power supply controlled by a single—chip microcomputer(SCM)：improving the drive circuit design to ensure the switches turn on—off at the right time，improving the control strategies SO the hard—star problem was solved，besides that the bridge arm short protection circuit was added． In the boost converter part，the high-frequency transformer was used in push-pull circuit whose input is 1 2V DC，which is controlled by the pwm chip called TL494． Because the first．stage circuit and second-stage circuit was not in the same GND，with the help of the secondary winding auxiliary power supply，the precise programmable regulated voltage chip called TL43 1 and the linear optocoupler called PC8 1 7 were used in the design of DC bus voltage negative feedback circuit whose function is to ensure the output voltage within the setting range．In order to prevent the undervoltage or overvoltage of the batteries，the protection circuit was designed．The selection principles of the power switches，rectifier diodes and filter components were introduced，but the design processes of the high—frequency transformer and the operation principles of circuits were introduced in detail words． The invertion section includes hardware design and software design two parts． The hardware circuits which are controlled by a SCM of STC called STCl 2C5A60S2， using SPWM control technology，combined the dead time generating circuit with the drive circuit to control the single—phase full—bridge inverter circuit．In order to ensure the inverter power supply work in the right condition，the overcurrent protection circuit，the bridge arm short protection circuit and snubber circuit were designed．In the software design part，the SPWM trigger waves are generated by SCM，output voltage feedback circuit，overvoltage and undervoltage of the batteries protection circuit，overcurrent protection circuit，the bridge arm short protection circuit are also II

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