逆变电源的设计

泉 州 师 范 学 院

毕业论文（设计）

题 目 DC12V~AC220V/50Hz逆变电源的设计

理工 学 院 电子信息科学与技术 专 业 05 级 班 学生姓名 杨子文 学 号 050303046 指导教师 仲伟博 职 称 副教授 完成日期

教务处 制

目录

1引言 ................................................................................................................................................................... 1 2 设计方案与论证 .............................................................................................................................................. 1

2.1输出波形的选择 ................................................................................................................................... 1 2.2 50Hz、220V方波波形输出实现电路选择 ......................................................................................... 1

2.2.1 脉宽调制器（PWM） ................................................................................................................ 1 2.2.2 输出方式 .................................................................................................................................. 2 3 设计图纸及其分析 3.1 TL494极限参数 ............................................................................................. 2 3.2 逆变器的主要指标 .............................................................................................................................. 3 3.3设计图纸 ............................................................................................................................................... 3 3.4系统基本原理 ....................................................................................................................................... 3 3.5各类保护电路设计 ............................................................................................................................... 4

3.5.1 输入过压保护 .......................................................................................................................... 4 3.5.2过热保护 ................................................................................................................................... 4 3.5.3 输出过压保护 .......................................................................................................................... 4 3.6 核心模块设计 ...................................................................................................................................... 4

3.6.1 脉宽调制 .................................................................................................................................. 4 3.6.2 上电软启动时间维持以及电路保护状态维持 ...................................................................... 5 3.6.3 DC/AC的转换 ........................................................................................................................... 5 3.7逆变器的性能测试 ............................................................................................................................... 5

3.7.1调试结果 ................................................................................................................................... 6 ⑴空载时 .............................................................................................................................................. 6 3.7.2结果分析 ................................................................................................................................... 6

参考文献 .............................................................................................................................................................. 7 附录1器件清单 .................................................................................................................................................. 9

DC12V~AC220V/50Hz逆变电源的设计

理工学院 电子信息科学与技术专业 050303046 杨子文

指导教师 仲伟博 副教授

【摘 要】本设计是运用TL494芯片作为主芯片，分别利用2个TL494的5脚接电容和6脚接电阻作为脉宽调制器的定时元件，来决定输入脉宽调制频率为20-50kHz和输出脉宽调制频率为50Hz。所输出的是50Hz、220V方波波形，解决了目前在移动中使用的直流电转换成交流电的问题。

【关键词】 电源；TL494；桥式整流；脉宽调制

1引言

我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。逆变电源可将电瓶的12V直流电转换为220V/50Hz交流电，供数码相机、CD、MD唱机、笔记本电脑、小型录像机、手机、车载冰箱及各种旅游、野营、医疗急救等便携式电器产品使用。

在逆变电源的发展方向上，轻量、小型、高效、性能稳定是其所追求的目标。本文所介绍的逆变电源电路主要采用集成化芯片TL494,使得电路结构简单、性能稳定、成本较低、适用于各种整流负载。因此,这种电路是一种控制简单、可靠性较高、性能较好的电路[1]。

2 设计方案与论证

2.1输出波形的选择

方案一：采用50Hz、220V纯正弦波形输出。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染，能够带动任何种类的负载，但是技术要求和成本均高。

方案二：采用50Hz、220V方波波形输出。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，可以满足我们大部分的用电需求，除了转换效率高之外，结构简单，成本也低，性能稳定、适用于各种整流负载，并且控制简单、可靠性较高.

方案选择：经过比较可知50Hz、220V纯正弦波形输出电路复杂，技术要求高，成本也高；而50Hz、220V方波波形输出结构简单，成本也低，性能稳定、成本较低，容易满足题目的要求，故选择方案二。

2.2 50Hz、220V方波波形输出实现电路选择

2.2.1 脉宽调制器（PWM）

方案一：用普通PWM芯片。虽然此类芯片可直接产生脉宽调制信号，但振荡发生器是靠充放电电路产生波形，波形线性不好，难以达到要求。例如PWM控制电路芯片SG3524，是一种电压型开关电源集成控制器,具有输出限流,误差放大,脉宽调制比较器和开关电路,其产生PWM方波所需的外围线路很简单。但SG3524做的高频逆变器不能带感性负载[2]。产生的脉宽调制波占空比最高只能达到44%左右，且波形不好。

方案二：采用KA7500，它与TL494区别仅仅是两种芯片的内部运放输入端的基准源大小略微有点差别，对电路的功能和性能没有影响。由于目前市场上已经很难找到KA7500C芯片了，即使能够买到，其价格也至少是TL494CN芯片的两倍以上。

方案三：采用TL494CN芯片，它集成了全部的脉宽调制电路；片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件简单；内置5V基准源；稳压精度为5V土5%；内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力等特征使逆变

1

器既可提供不间断的高质量交流电，又可满足体积小，电路简单的要求

方案选择：通过比较，方案一，方案二较与方案三，不论从实现电路的工作到制作电路的成本来看；方案三都比较合适，故选择方案三。 2.2.2 输出方式

方案一：采用一片TL494CN芯片，进行脉宽调制，来达到50Hz、220V方波波形输出。它即要求直流电转换成交流电进行升压，又要求频率为50Hz，其输出不稳定，不方便调节。

方案二：采用两片TL494CN芯片，采用推挽式电路，交替工作，可以提高转换效率，而且双端工作的变压器的体积比较小,可提高占空比,增大输出功率。

方案选择：由以上分析可知，虽然方案一只用到一片TL494CN芯片，但其输出不稳定，故选择方案二。

3 设计图纸及其分析

3.1 TL494极限参数

TL494CN的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。它是专用的双端式开关电源控制芯片，其尾缀字母CN表示芯片的封装外形为双列直插式塑封结构，工作温度范围为0℃-70℃，极限工作电源电压为7V～40V，最高工作频率为300kHz。其内置有5V基准源，稳压精度为5 V±5％ ，负载能力为10mA，并通过其14脚进行输出供外部电路使用。同时它还内置2只NPN功率输出管，可提供500mA的驱动能力。TL494 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率为：

输出脉冲的宽度是通过电容CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

图1是TL494的引脚图。表1是TL494的各引脚功能。

图1 TL494引脚图

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表1 TL494各引脚功能 3.2 逆变器的主要指标 （1）输出电压220V±10％ （2）输出频率50Hz±5％ （3）带负载能力≥25W （4）逆变工作频率20KHz～50 KHz 23（5）转换效率≥85％ （6）输出、输入过压保护，过热保护 453.3设计图纸 DZ230V/0.5WR8+12VD1C2R6R4IN414827047u4.7F/1K6VC110.22uFVD4R2718KVT9IRF740R29R30100K100K4.7KDZ1100KIN4148R12C7R15R2310KC8R140.1uF220K47uF/16V10KR261KR254.7KC1510uF/50F+12R515V/0.5WVT8R244.7KVD13IN4148470KKSP44ACOUT1CON1C3C447uF/16VR7C90.01uFC100.01uFK44.3700pFR3100K2IN-150VD14FR107IN+IN+IN-DTCIN-FBDTCFBC1CTRTGNDCTRTGNDC1IC1IC2TL494R191KR283.3KVD10IN4148VT10IRF740TL494C142IN+2IN+VCCVT38550VCC2IN-REFREFOCOCE2E1E2E1C2C2+12R104.7KVD3IN4148R181KVT4IRF3205R221KR1610KR174.7KVT5R214.7KC1310uF/50F+12VT6IRF740+12+12R239KC647uF/16V+12C1C5VT18550R?1K2200uF/16V22uF/16VVD11IN4148KSP44ACOUT1CON1RtR9T1LEDLEDVD5VD6HER306HER3064.7KVD12FR107R136K+12DCIN21CON2VD2IN4148EI33C1210uF/400VR203.3KVD9IN4148VT7IRF740VT2IRF3205VD7VD8HER306HER306SSW+12 图2 逆变电源的电路原理图 3.4系统基本原理 该逆变电源的电路原理如图2所示，大体可以分为两个部分，芯片IC1及其外围电路、三极管VT1、VT3，MOS功率管VT2、VT4和变压器T1组成12V直流电到220V交流电的逆变电路。芯片IC2及其外围Title电路，三极管VT5、VT8，MOS功率管VT6、VT7、VT9、VT10和220V 20-50KHz整流、滤波电路VD5-VD8、SizeC12共同组成220V 20-50KHz交流电到220V 50Hz交流电的转换[3]。其结构框图如图3所示。 BDate:File:2345Number16-May-2009E:\\杨子文\\逆变电 3

3.5各类保护电路设计

3.5.1 输入过压保护

图2电路中IC1的1脚外围电路的VDZ1、R5、VD1、C2、R6构成12V输入电源过压保护电路，稳压管VDZ1的稳压值决定了保护电路的启动门限电压值，VD1、C2、R6还组成保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电源过压现象，保护电路就会启动并维持一段时间，以确保后级功率输出管的安全。考虑到电瓶电压的正常变化幅度大小，通常将稳压管VDZ1的稳压值选为15V或16V较为合适。 3.5.2过热保护

图2电路中IC1的15脚外围电路R1、R2、Rt组成了过热保护电路，Rt为正温度系数热敏电阻，常温状态下，阻值可在150～300之间任意选取。阻值适当选大些，可提高保护电路驱动的灵敏度。15脚电压是一个比较重要的参数，正常工作时，电压应略高于16脚的电压。本设计中，14脚与16脚相连，所以电压均为5V。由公式U＝VccXR2÷(R1+R2+Rt)V计算，若Rt＜500Ω，则U＞5V。当电路工作异常，MOS功率管VT2或VT4的温升大幅提高，热敏电阻Rt的阻值超过约4kΩ时，IC1内部比较器1的输出将由低电平翻转为高电平，IC1的3脚也随即翻转为高电平状态，致使芯片内部的PWM 比较器、“或”门以及“或非”门的输出均发生翻转，输出级三极管VT1和三极管VT2均转为截止状态。当IC1内的两只功率输出管截止时，图1电路中的VT1、VT3将因基极为低电平而饱和导通，VT1、VT3导通后，功率管VT2和VT4将因栅极无正偏压而处于截止状态，逆变电源电路停止工作。本设计在选材时，由于没有合适的热敏电阻，所有用一个470Ω的电阻代替热敏电阻，这样电路没有过热保护功能，但能满足正常工作要求。

3.5.3 输出过压保护

R29、R30、R27、C11、VDZ2组成XAC插座220V输出端的过压保护电路，当输出电压过高时将导致稳压管VDZ2击穿，使IC2的4脚对地电压上升，芯片IC2内的保护电路动作，切断输出[4]。

3.6 核心模块设计

3.6.1 脉宽调制

IC1的5脚外接电容C4和6脚外接电阻R7为脉宽调制器的定时元件，所决定的脉宽调制频率为 fosc=1.1÷ (C4×R7)kHz。即电路中的三极管VT1、VT2、VT3、VT4、变压器T1的工作频率均可以通过

4

调节滑动变阻器R7改变，因此T1应选用高频铁氧体磁芯变压器，变压器T1的作用是将12V脉冲升压为220V的脉冲，其初级匝数为20×2，次级匝数为380。通过调节IC2的5脚外接电容C8和6脚外接电阻R14为脉宽调制器的定时元件，所决定的脉宽调制频率为 fosc=1.1÷ (C8×R14)≈50Hz。满足输出频率为50Hz。

3.6.2 上电软启动时间维持以及电路保护状态维持

图2路中IC1的15脚外围电路的R1、C1组成上电软启动电路。上电时电容C1两端的电压由0V逐步升高，只有当C1两端电压达到5V以上时，才允许IC1内部的脉宽调制电路开始工作。当电源断电后，C1通过电阻R2放电，保证下次上电时的软启动电路正常工作。

IC1的3脚外围电路的C3、R5是构成上电软启动时间维持以及电路保护状态维持的关键性电路，实际上不管是电路软启动的控制还是保护电路的启动控制，其最终结果均反映在IC1的3脚电平状态上。电路上电或保护电路启动时，IC1的3脚为高电平。当IC1的3脚为高电平时，将对电容C3充电。这导致保护电路启动的诱因消失后，C3通过R5放电，因放电所需时间较长，使得电路的保护状态仍得以维持一段时间。

当IC1的3脚为高电平时，还将沿R8、VD4对电容C7进行充电，同时将电容C7两端的电压提供给IC2的4脚，使IC2的4脚保持为高电平状态。从图2的芯片内部电路可知，当4脚为高电平时，将抬高芯片内死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器输出保持为恒定的高电平，经“或”门、“或非”门后使内置的三极管VT1和三极管VT2均截止。图1电路中的VT5和VT8处于饱和导通状态，其后级的MOS管VT6和VT9将因栅极无正偏压而都处于截止状态，逆变电源电路停止工作。 3.6.3 DC/AC的转换

由原理图2可知，采用推挽式电路，通过IC1将直流电12V转换 AC 220V 20-50KHz，再通过整流、滤波电路VD5-VD8将交流电转换成直流电，然后通过IC2的5脚外接电容C8和6脚外接电阻R14进行脉宽调制，使其输出达到220V，50Hz。

3.7逆变器的性能测试

判别逆变器的好坏主要有3个指标[5]:

(1)首先是逆变器能不能可靠地长期工作，也就是可靠性指标;

(2) 逆变器好不好用，性能如何，也就是技术指标，主要包括:输入电压、输出电压、输出功率、输出波形，以及电压和频率的控制范围及稳定度等;

(3) 逆变器用的原材料和器件多不多，制造费用是否很高，也就是经济指标，主要包括:重量(或者单位输出功率的重量)，体积(或者单位输出功率的体积)，成本和价格。

图 4 逆变器的性能测试

在上述3项指标中，逆变器的技术指标最为重要，也是主要的测试对象。在调试过程中，主要包括输出波形稳定性、脉冲参数的可调节范围及系统的可靠性等。测试电路见图4。这里测试用的输入电源采用30V/3A的直流稳压电源。测试用负载为普通的电灯泡。测试的方法是通过改变负载大小，并测量此时的输入电流、电压以及输出电压。

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3.7.1调试结果 ⑴空载时 输入电压（V） 输入电流（A） 输入频率(KHz) 输出电压（V） 输出电流（A） 输出频率（Hz） 12

(2)直接带负载时 负载功率（W） 10 20 25 输入电压（V） 12 12 12 输入电流（A） 0.79 1.61 1.98 输入功率 （W） 9.48 19.32 23.76 输出电压 （V） 209 202 199 输出电流 （A） 0.039 0.084 0.108 输出功率 （W） 8.12 16.97 21.50 转换效率 （%） 0.857 0.878 0.905 0 23.46 220 0 50

（3）带负载后通过调节波形占空比使输出电压为220V 50Hz 负载功率（W） 10 20 25 输入电压（V） 12 12 12 输入电流（A） 0.83 1.63 2.01 输入功率 （W） 9.96 19.56 24.12 输出电压 （V） 220 220 220 输出电流 （A） 0.039 0.079 0.101 输出功率 （W） 8.58 17.38 22.22 转换效率 （%） 0.861 0.889 0.921 3.7.2结果分析

由表（1）和表（2）对照，可以看出当逆变电路接入负载后，其输出电压会小于220V，并且随负载功率的增大而减小，输出功率的转换效率随负载功率的增大而增大。我们可以通过计算找出关系。但电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改变，并且输出电压、电流也不是正弦波，所以这种的计算只能看作是估算。假定逆变电路的阻值为R，由于输出的直流电压是已定值12V，故输出功率为P=12ί- ί2R ,由公式可以看出一定存在一个ίmax使输出功率最大，当ί<ίmax时，逆变电源的输出功率成递增趋势，其转换效率也相应的增大。另外一般金属材料，随温度的升高，使电子碰撞增加，电阻变大。但半导体材料随温度升高后，电阻反而会变小，由于电子碰撞增加，激发的电子和空穴的数目相应增多，故电阻变小，再回到公式，很显然输出的功率会增大。转换效率也增大。

由表（3）可知，当我们调节TL494的6脚外接电阻时，随着输入频率发生变化，输出电压也会变化，这是因为改变频率时，占空比会增加，输出电压也增大，电流相应增大，由表（2）中的推导可知其转换效率会增大。

4 设计总结及感受

通过这次毕业设计，我基本掌握了基于TL494方波逆变电源的工作原理，在设计过程中，我们刚开始用普通的变压器作为升压器件，这样空载的时候可以达到AC220V 50Hz，但接上负载后就不能工作了，查找原因，发现是变压器的功率不足，带负载能力有限，由于变压器T1的工作频率均为30KHz-- 50KHz左右，故T1应选用高频铁氧体磁芯变压器，其初级匝数为20*2，次级匝数为380，完成线圈绕之后，接上直流电源12V，通过调节滑动变阻器R7来改变方波波形的占空比使输出电压满足220V 50Hz。由于直流电源的最大输出功率为36W，故选择的负载的功率也必须小于36W，这样才能工作。另外，该电路具有上电软启动功能，因此在接通电源后大约要等7S左右才有220V的输出，同时LED灯亮。当LED指示灯不亮时，表示逆变电路没有工作，当接通10S以后，指示灯还没点亮时，要用万用表检查一下输出端有没有220V，有的话证明LED灯坏了，没有的话就说明逆变电路没有工作，这时需要检查IC1的3脚，如果在1V以上说明是芯片内部保护电路启动了。这时需要进一步用万用表的直流电压档测试芯片IC1的15、16脚之间1、2脚之间的直流电压。正常情况下15脚直流电压应高于16脚，2

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脚高于1脚，只有两个条件都满足时，芯片的3脚才为0V左右，逆变电路才正常工作。

电源是电子设备的动力部分,是一种通用性很强的电子产品。它在各个行业及常生活中得到了广泛的应用，其质量的好坏极大地影响着电子设备的可靠性,其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围。方波逆变是一种低成本，极为简单的变换方式，有着比较好的转换效率和带负载的能力，因而具有较大的使用价值。

致谢:

在本次毕业设计中, 谢谢仲伟博老师积极提供实验场地、实验仪器以及电子器件,在电路设计方案及论文编写中进行精心的指导, 他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，同时也感谢同学们的热情帮忙。

参考文献

[1] 李锃，胡敏，邓焰. 一种修正正弦波输出逆变电源的设计[J].机电工程，2008，25（1）：220-223. [2] 李政，单庆晓，一种低成本的车载逆变电源.电源技术应用[J]. 2004，7（7）：431-435 [3] 都永超，朱汉林. 12V/220V车载逆变电源实用制作技术[J].无线电，2005，（11）：14-18 [4] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计. 北京：电子工业出版社.2000.3 [5] 徐泽玮.逆变器知识.北京:人民邮电出版社，1988

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DC12V ~ AC220V/50Hz inverter power supply design

Institute of Technology Electronic Information Science and Technology 050303046 Yang Zi-weng

Teacher: Zhong Wei-Bo an associate professor

Abstract：The chip design is used as the main chip TL494, TL494 respectively using two capacitors to 5 feet and 6 feet of the resistor as to the timing pulse width modulator devices to determine input pulse width modulation frequency of20- 50 kHz and output pulse width modulation frequency 50Hz. The output is 50Hz, 220V square-wave waveform, to resolve the current used in the mobile DC into alternating current problems. Key words: power supply; TL494; bridge rectifier; PWM

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附录1器件清单

位号 C1

C2/C3/C6/C7

C4 C5 C8 C9/C10 C11 C12 C13/C15 C14

VD1-VD4/VD9-VD11/VD13

VD5-VD8 VD12/ND14 DZ1 DZ2 IC1/IC2 LED VT1/VT3 VT2/VT4

VT6/VT7/VT9/VT10

VT5/VT8 R1 R2

R3/R5/R29/R30

R4

R6/R8-R11/R17/R21/R24/R25

R7 R12 R14 R15/R16/R23 R18/R19/R22/R26

R20/R28 R27 Rt T1

型号 22uF/16V 47uF/16V 4700pF 2200uF/16V 0.1uF 0.01uF 0.22uF 10uF/400V 10uF/50V 0.01uF/1000V IN4148 HER306 FR107 15V/0.5W 30V/0.5W TL494CN 绿色 8550 URF3205 IRF740 KSP44 36K 39K 100K 270 4.7K 4.3K 470K 220K 10K 1K 3.3K 18K 150 EL33

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数量 1 4 1 1 1 2 1 1 2 1 8 4 2 1 1 2 1 2 2 4 2 1 1 4 1 9 1 1 1 3 4 2 1 1 1