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全硬件纯正弦逆变器制作教程

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楼主
xiaogu 发表于 2014-12-13 22:02 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

:此文章参考了部分电源网老寿老师和老矿石老师的研究成果


做一个纯正弦逆变器,这个想法9个月之前就有了.做个逆变器,高频的,效率高,体积小.前级肯定用SG3525或者TL494做的推挽升压,这没啥选择,关键是后级,它决定输出波形是方波还是正弦波. 输出正弦波的后级需要SPWM技术,肯定很多人的第一想法是使用单片机.的确,使用单片机的好处不少:SPWM波精度高,输出正弦波波形好,稳压精度高,方便加入电压指示功能等,单片机确实非常适合工业量产.但是对于咱们玩家,可不是这样了.单片机不是人人可以掌握的,即便掌握,像我这种只会做电子钟红外遥控之类的初级玩家也很难写出好的SPWM程序.因此,我考虑了全硬件方案.

高频前级(原理分析)
HIFI界,有一句话说前级出声后级出力,同样在逆变界,有前级出功率后级出波形之说。一个好的前级是多么的重要,是确保足够功率输出的保证。



这就是前级电路图啦~
电路采用了光藕隔离反馈,工作在准闭环模式.轻载或者空载时,由于变压器漏感,输出可能超压,容易穿后级和电容.此时占空比减小输出降低,实测在空载时占空比很小很小,这大概是空载电流小的原因吧(空载电流神一般的~60mA~.
当负载变大后,电路逐渐进入开环模式,以确保足够的电压和功率输出.

注:本图根据老矿石的作品修改
全硬件纯正弦后级(原理分析)
老寿老师很久之前就弄过全硬件了,他的方案有SG3525lm393两种,前者简单,但是最大占空比低(母线电压利用率低),后者最大占空比理论上可以弄到100% (实际也很高)但是电路有点复杂,而且需要双电源供电。我把它们融合了一下,得到了自己的电路。




这是后级的框图
本电路优点:
1.
电路极简单,可能为世界上最简单的分立SPWM电路
2.
单电源宽电压供电(10V-30V)
3.
输出最大占空比高,仿真时最大占空比已经接近100%.这将导致母线电压利用率高,母线电压340V就足够产生230V的工频正弦交流电.
4.
隔离输出,受外围电路干扰少

本电路没有使用稳压反馈,故稳压功能全靠前级完成.前级一般由SG3525或者TL494组成,稳压功能不用可惜了.
看本图,由于使用了虚拟双电源,因此单电源供电即可,省略一个辅助电源变压器.
再看驱动板电路图(红圈里的内容是修改过的部分):




麻雀虽小,五脏俱全.
如图,LM7809将电池电压降为稳定的9V,这使得电路可以在宽电源(10V-30V)情况下工作,左上角红圈里的2N55512N5401等元件组成了虚拟双电源,将正9V变成正负4.5V的双电源.
NE555
及周边元件组成频率约为20KHz的高线形度三角波振荡器,如图,NE55526脚可以得到在3V6V之间运动的三角波.
IC1
LM324,IC1A及周边元件组成50Hz工频正弦振荡器,产生幅度4.5V的正弦波(对于产生的虚地),圈一电位器将这个正弦波幅度分压到3.5V.IC1BIC1C及周边元件组成精密整流电路,将正弦波变成3V幅值的馒头波.这个馒头波要去和NE555的三角波比较,三角波和馒头波的幅值虽然向同,都是3V,但是这个馒头波的最低电位比三角波的高1.5V.因此,IC1D及周边元件组成减法电路,将馒头波整体下调1.5V,这样三角波和馒头波就可以比较了.LM393B进行比较工作,产生同相位的SPWM,此波与LM393A组成的正弦波-方波转换器输出的同步方波送入CD4081等组成的编码电路进行编码,产生最终驱动功率管的SPWM信号.两个20K电阻和47P电容用于产生死区于高频臂.SPWM1SPWM2用于驱动高频臂,50HZ150HZ2用于驱动工频臂。
本电路设计巧妙的地方之一就是虚地和实地的转换.LM393A之前电路是工作在虚地状态的,LM393之后的电路却变成了实地.因为4.5V的交流(对于虚地)对于实地来说是个9V的脉冲.LM393B周边电路也是类似原理.
然后看H桥电路图(红圈里的内容是修改过的部分):




后级是很普通的,没啥创新。下臂的IRFP460采用光藕直接驱动,上臂的IRFP460采用自举电容+光藕驱动.工作原理简述:当下臂导通时,高频桥的功率管的中点相当于接地,此时220uF的自举电容通过FR107和下臂管充电,当下臂管关断上臂导通时,220uF电容与地隔离,TLP250内部三极管导通后,相当于给上臂管的GS之间施加一个电压,因此上臂管可以在与之对应TLP250的控制下导通和关断.
1mH电感和一个400V 1uF电容用来完成高频滤波的任务,把高频SPWM方波变成50Hz的正弦波.
三、整机组装和元件选择

整机可以分两块板做,一块是后级的SPWM板(控制板),推荐使用热转印法制作一个PCB,因为用万用板难度实在太大。另一块是前级和后级H桥(功率管),用一块大万用板做。SPWM板插在功率板上。
我的万用板布局(制作时摆出来的,仅供参考):


这是实物:


首先绕制变压器。变压器的绕法很讲究的,绕不好会导致漏感大炸前级功率管,乱绕更是做死……..变压器采用EE55磁芯和骨架,初级2+2,次级65,辅助绕组3
绕制方法如下:



   在磁芯上绕27匝,也就是一层次级,用1mm的漆包线,然后用绝缘胶袋包好包紧。
    绕次级,用0.8mm的漆包线8根并绕,绕两个2匝,然后用胶带包上
示意图:

实物图:


    绕下一层次级(27匝),然后用胶带包上
    绕下剩下次级(11匝)
    绕辅助绕组,然后用胶带包上
    清洁磁芯的对接面然后插入磁芯,用胶带固定之
绕好之后要进行漏感测试,测试方法是短路高压绕组然后测初级电感即是漏感,如果漏感太大要重绕变压器,漏感不要超过2uH!
然后在万用板上搭建前级(前级那张电路图的全部)。前级的图腾柱三极管选用8050\8550或者D669\B649对管(我用后者),功率管为了避免过大损失,先俩IRF3205做调试。后级的整流二极管选用耐压〉600V电流8A以上的快恢复二极管,我选用的型号是MUR1560T,此外还可以使用MUR860TMUR8120等二极管,实在不行用HER607代替得了(输出功率受影响)。3525边上的电位器是调前级频率的,先调到9.8K,以后愿意可以微调以获得最佳效率。反馈那个电位器是调空载或者轻载时电压反馈的,调到3.16K,这样空载电压被限制在380V左右,对于电容和后级功率管安全的(当前后级联机后,后级的AC滤波部分会消耗一小部分功率,这个电压会被拉低,先不用考虑)。那个450V0.22uF的无极性电容不可不装,它的作用是滤去母线上的各种干扰信号,保障后级H桥可靠工作。和电池并联的那个10000uF10mF)电容不可不装,否则不出功率。至于那个450V470uF电容先不用装,为了避免电击。
最后可以试机了,对于第一次试机的同志,简易串灯泡(12V20W),以避免损失。如果通电后灯泡一直亮,那说明短路啦,赶紧断电检查。如果灯泡只在通电瞬间亮一下,那说明基本没问题,可以直接接电瓶了,测试空载电流(小于100mA)母线电压(380V左右)和辅助电源电压(15V),如果都符合,那就进行加载测试。找个100W白炽灯,接在母线和后级地之间。通电,观察功率管的温度,如果升温过快严赶紧断电,找出原因,如果微热或者压根不升温,那就说明前级成功了,开始弄后级控制板(SPWM板)吧~

SPWM板强烈推荐使用热转印制作PCB(此PCB包括第二张电路图和后级H桥的TLP250FR107200欧电阻、220uF电容),洞洞板焊出来估计得要命……首先焊好所有元件,然后用示波器查看A点波形,调节IC1A下面的电位器,使波形最好振幅最大;再.调整圈1电位器使其滑动端(B)对虚地有3V幅值(对虚地)的正弦波脉冲,此时在C点可以看到幅值3V频率100Hz的馒头波(对虚地);调整圈2电位器,是其滑动端对地(实地)1.5V电压,绕后用示波器同时观察三角波和减法电路输出的馒头波,调节圈1电位器和圈2电位器使三角波和馒头波在同一范围内,即三角波能包住馒头波,馒头波还可以“在三角波里顶天立地”,再测试F输出的50Hz脉冲方波,在LM393B的输出端应该可以测到SPWM脉冲。最后测试SPWM1SPWM250HZ150HZ2的波形,应为下图:




看到它,就说明基本成功了。

最后弄后级H桥。
弄之前先把后级的AC滤波磁环弄好,用1mm漆包线在内径20mm的铁硅铝磁环上绕90匝,线长约4.5m。绕好之后电感在700uH以上的都能用。(友情提示:绕该磁环一定要带上手套,否则你的手会被勒出血泡!我是受害者啊!)
把功率板上的后级H桥的功率管、AC滤波LC装好,这里我们使用IRFP460LC组成H桥。再装上装好之后H桥先不接母线高压,而接辅助电源的15V!有的同志可能会问这是为什么,我这么做是为了减小损失。。。。。。。上电之后测AC滤波器输出,什么?是方波?!没事儿,临时在输出加个180欧的负载立马变正弦波了。如果正常的话H桥就直接接母线了,在输出那里加2个并联的100K1W电阻做假负载(这机器是单极性调制,空载输出方波…..),以输出正弦波。改变电路后的初次上电一定要串灯!!!不然功率管炸烂你家!!!有高压探头的朋友可以看看输出波形,我是拿变压器降压后看的,过零点波形有点屎……没办法,电路缺陷…….不过影响不大……..
得到正弦波之后,不串灯泡,测空载电流,在700mA 之下可以接受,我的是500mA
加点负载玩吧,用灯泡、变压器、手机充电器(闲置的)、电动机之类的,同时关注前级功率管升温,据我观察后级H桥升温困难…………
这些都弄好之后,可以换上前级的牛管了------IRFP2907IRFP2907,场管中的战斗机哦耶!又一个纯正弦逆变器诞生啦~
四、我研制纯正弦逆变器的历史
1201012月,看见555可以做D类放大器之后尝试用它做SPWM调制,失败
220116月中,在电源网上看到纯正弦逆变器做得如火如荼,我再次准备制作
320117月中,成功打造1前级,300W,欲仿制电源网老寿的555+393纯正弦方案,但是由于时间紧迫,最后只好以方波后级收场….
420118月初,我开始准备弄555+393SPWMPCB,设计出来了并完成了校对
52011104号,我突然有个想法自己设计一个SPWM电路,于是花了几天把老寿的3525555+393融合了,产生了自己的电路
620111011号,我在科创论坛上发布了自己设计的SPWM电路
720111015号,我修正了下电路,不过事后证明此修改是错误的(减法电路的47K电阻)
8201110月,我用Multisim进行了多次仿真,证明了此电路的可行性
92011113日,我开始设计PC
1020111119日,我在科创上发布了PCB
1120111219号,SPWM板开做,制作了PCB、完成了振荡器部分
1220111220号,修正了虚拟双电源电路,完成了精密蒸馏、减法电路、SPWM发生器(不工作)、同步方波发生器(不工作)
1320111221号,为SPWM发生器和同步方波发生器增加了上拉电阻,工作了
1420111222号,装好SPWM控制板并加H桥调试
1520111223号,开始绕变压器(铜带初级)当晚实验发现漏感大
1620111224号,在多次烧毁前级功率管后决定用漆包线重绕变压器
1620111226号,重绕变压器完毕,加前级加反馈实验成功,空载电流降低到60mA,修改高频臂的自举电容到220uF50V
1720111227号,前后级联机失败,烧毁工频臂
1820111228号,修改了工频臂的驱动方式,正式安装了AC滤波LC,测试输出正弦波AC成功,带电动机、工频变压器成功
1920111229号,全硬件纯正弦逆变器在科创论坛和电源网上发布
20201216号,在老爸的帮助下加工了外壳和散热器
21201217号,安装了面板、散热器并增加了电池电压指示功能
222012113号,逆变器在持续带200W左右的负载时后级TLP250烧了一个,PCB上铜箔烧断,更换为正品TLP250后完全正常

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沙发
爆力祖玛 发表于 2017-10-5 12:19 | 只看该作者
楼主能发一份后级电路图给我吗,这里看不清楚,
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板凳
ZENGRONGGUO 发表于 2017-10-13 12:55 | 只看该作者
能发一份电路图我么QQ 邮箱401675553@qq.com
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地板
zengrong 发表于 2018-8-2 15:15 | 只看该作者
我qq邮箱 401675553@qq.com,发我一份多谢了
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5#
1365468 发表于 2018-11-5 09:16 | 只看该作者
楼主我也有一个推挽电路关键输出不出正弦波,可以指导一下我吗?我用的TL494.单片机产生pwm,波形输出不出来。楼主能指导一下我吗?QQ:2648288897
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6#
快乐眼泪 发表于 2018-11-6 19:01 来自手机 | 只看该作者
能不能上传一份清晰一点的后级图?谢谢!
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7#
snco118 发表于 2018-12-1 11:26 | 只看该作者
老师,你好,能发我一份完整的资料图么,非常感谢!46651667@qq.com
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8#
qjzyx 发表于 2018-12-1 16:14 | 只看该作者
好文章!向你学习!
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9#
supermcu8 发表于 2018-12-3 14:15 | 只看该作者
这个有空得仿制一个玩玩
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10#
电子保险 发表于 2018-12-16 21:00 | 只看该作者
真的好厉害,高手,希望能的一张图纸我也动手试一试,1311251072@qq.com
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11#
minisunelec 发表于 2019-1-11 12:29 | 只看该作者
希望能的一张图纸我也动手试一试,1575850298@qq.com
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12#
yanshengdian 发表于 2019-1-15 10:51 | 只看该作者
爆力祖玛 发表于 2017-10-5 12:19
**** 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽 ****

这么多要图的伸手党, 你们移步去电源网翻一下老寿的帖子, 有足够多的图和步骤.
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