全硬件纯正弦逆变器制作教程

ID:70416 · 发表于 2014-12-13 22:02

注: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）
在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SG3525和lm393两种，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2N5551和2N5401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,在NE555的2和6脚可以得到在3V和6V之间运动的三角波.
IC1为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.IC1B和IC1C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波,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.SPWM1和SPWM2用于驱动高频臂，50HZ1和50HZ2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,而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,当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MUR860T、MUR8120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10000uF（10mF）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TLP250、FR107、200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)有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SPWM1、SPWM2、50HZ1和50HZ2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------IRFP2907。IRFP2907，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
1、2010年12月，看见555可以做D类放大器之后尝试用它做SPWM调制，失败
2、2011年6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
3、2011年7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….
4、2011年8月初，我开始准备弄555+393的SPWM的PCB，设计出来了并完成了校对
5、2011年10月4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3525和555+393融合了，产生了自己的电路
6、2011年10月11号，我在科创论坛上发布了自己设计的SPWM电路
7、2011年10月15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）
8、2011年10月，我用Multisim进行了多次仿真，证明了此电路的可行性
9、2011年11月3日，我开始设计PCＢ
10、2011年11月19日，我在科创上发布了PCB
11、2011年12月19号，SPWM板开做，制作了PCB、完成了振荡器部分
12、2011年12月20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）
13、2011年12月21号，为SPWM发生器和同步方波发生器增加了上拉电阻，工作了
14、2011年12月22号，装好SPWM控制板并加H桥调试
15、2011年12月23号，开始绕变压器（铜带初级）当晚实验发现漏感大
16、2011年12月24号，在多次烧毁前级功率管后决定用漆包线重绕变压器
16、2011年12月26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
17、2011年12月27号，前后级联机失败，烧毁工频臂
18、2011年12月28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
19、2011年12月29号，全硬件纯正弦逆变器在科创论坛和电源网上发布
20、2012年1月6号，在老爸的帮助下加工了外壳和散热器
21、2012年1月7号，安装了面板、散热器并增加了电池电压指示功能
22、2012年1月13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