CN113078826A - 一种直流升压电路的逆变电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流升压电路的逆变电源，属于逆变电源技术领域。该逆变电源包括依次相连的直流电压输入电路、EMI抗干扰电路、直流滤波电路、推挽功率电路、变压器升压电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、交流滤波电路和交流输出电路，交流输出电路有四路输出，分别与电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块、参考电流模块输入端连接；电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块与参考电流模块的输出端分别连接PWM驱动电路输入端；PWM控制电路与推挽功率电路连接。本发明采用高频变压器设计，克服了之前采用工频变压器而使电源体积重量大，电源转换效率低等缺点。

Description

一种直流升压电路的逆变电源
技术领域
本发明涉及一种直流升压逆变交流电源，属于逆变电源技术领域。
背景技术
逆变电源广泛应用在空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。在国外因汽车的普及率较高，外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。通过点烟器输出的车载逆变是20W、40W、80W、120W到150W功率规格，对于再大一些功率的逆变电源要通过连接线接到电瓶上。把家用电器连接到电源转换器的输出端，就能在汽车内使用各种电器。可使用的电器有：手机、笔记本电脑、数码摄像机、照像机、照明灯、电动剃须刀、CD机、游戏机、掌上电脑、电动工具、车载冰箱及各种旅游、野营、医疗急救电器等。
现有的逆变电源常采用工频变压器，其工频变压器使用铁心绕制，导致体积大重量重，制造成本高，又由于工作频率低，其峰值持续时间短，效率低，稳定性差。
发明内容
为解决现有逆变电源体积重量大，电源转换效率低等问题，本发明提出一种直流升压电路的逆变电源。
本发明采用全桥逆变电路，能够改变功率管的耐压和承受大电流的问题。更好的解决了逆变电源功率增加的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种直流升压电路的逆变电源，包括直流电压输入电路、EMI抗干扰电路、直流滤波电路、推挽功率电路、PWM控制电路、变压器升压电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、交流滤波电路、交流输出电路、PWM驱动电路、电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块和参考电流模块；其中，所述直流电压输入电路的输出端连接EMI抗干扰电路输入端，所述EMI抗干扰电路输出端连接直流滤波电路输入端，所述直流滤波电路输出端连接推挽功率电路输入端，所述推挽功率电路输出端连接变压器升压电路输入端，所述变压器升压电路输出端连接整流滤波电路输入端，所述整流滤波电路输出端连接全桥逆变电路输入端，所述全桥逆变电路输出端连接交流滤波电路输入端，所述交流滤波电路输出端连接交流输出电路；所述交流输出电路有四路输出，分别与电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块、参考电流模块输入端连接；所述电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块与参考电流模块的输出端分别连接PWM驱动电路输入端；所述PWM控制电路与所述推挽功率电路连接。
进一步地，直流升压电路的结构包括：滤波电容C0、开关管Q1、开关管Q2、推挽高频变压器T、全波整流二极管D1、全波整流二极管D2、LC滤波器和输出负载R；所述推挽高频变压器T的原边线圈N1和线圈N2的两端分别和开关管Q1、开关管Q2相连；所述推挽高频变压器T的中心抽头与电源正极相连；所述推挽高频变压器T的副边线圈N3和线圈N4的两端分别和全波整流二极管的阳极相连；所述推挽高频变压器T的中心抽头为输出电压负极，整流后经LC滤波器滤波后为负载R供电。
进一步地，开关管Q1和开关管Q2的占空比均不大于50％。
进一步地，所述全桥逆变电路的结构包括：平波电容C、四个开关管、四个续流二极管、以及阻感性负载，其中，开关管Q1的漏极接电源电压的正极，其源极与开关管Q2的漏极相连，开关管Q2的源极接电源电压的负极；开关管Q3的漏极接电源电压的正极，其源极与开关管Q4的漏极相连，开关管Q4的源极接电源电压的负极；四个续流二极管分别反向并联在四个开关管的两端。
进一步地，所述开关管Q1和开关管Q4为一组同时导通或关断的开关管；开关管Q2和开关管Q3为一组同时导通或关断的开关管；两组开关管交替导通180°。
采用现在的本发明提供的技术方案，与现有技术相比，本发明的逆变电源采用高频变压器设计，克服了之前采用工频变压器而使电源体积重量大，电源转换效率低、运输困难等缺点，具有结构简单、工作频率高、电压的利用率高等优点，该逆变电源同时具有过压、过流、短路等保护功能。
附图说明
图1为本发明整体结构框图；
图2为本发明实施例的直流升压电路结构图；
图3为本发明实施例的全桥逆变电路结构图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
如图1所示，本实施例的一种直流升压逆变电源包括：DC电压输入电路、EMI抗干扰电路、推挽功率电路、变压器升压电路、PWM控制电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、交流滤波电路、交流输出电路、PWM驱动电路、参考电压模块、参考电流模块、电压反馈电路、电流反馈电路。
其中，DC电压输入电路将直流电源接入连接到EMI抗干扰电路，EMI抗干扰电路的主要作用是隔离直流输入电源中存在的影响电源正常工作的干扰波，同时隔离电源产生的高频工作干扰信号。EMI抗干扰电路输出连接至直流滤波电路，将经直流滤波电路处理后的直流电，使用电解电容进行滤波，变成比较平滑的直流电。直流滤波电路输出连接推挽功率电路，推挽功率电路将直流电转换成周期性有幅度变化的能量。推挽功率电路输出端连接变压器升压电路输入端，变压器升压电路把变化电压升压成为预期交变电压。变压器升压电路输出端与整流滤波电路连接，如图2所示，将周期变换电压变换为直流电压，以代替传统的工频变压器。直流滤波后的电压电路连接到全桥逆变电路，全桥逆变电路把直流电转换成固定的周期和频率的交变电压。全桥逆变电路输出端连接至交流滤波电路，交流滤波电路把交流电上的干扰波滤除干净，使其变成没有谐波成分的交流电。交流滤波电路连接到交流输出电路，供给后级负载使用。
交流输出电路的输出分成四路与其它的电路相连接，其中两路分别与电压反馈电路和电流反馈电路连接，这两个反馈电路与PWM驱动电路连接，PWM驱动电路与全桥逆变电路相连接，电压反馈电路和电流反馈电路功能是在输出电压及输出电流有变化时反馈至PWM控制电路，用以对输出电压和电流进行调节。交流输出电路的另两路输出分别与参考电压模块和参考电流模块连接，参考电压及参考电流模块输出至PWM控制电路，PWM驱动电路输出至全桥逆变电路，以控制全桥逆变电路的工作状态。电压反馈电路和电流反馈电路的功能是检测输出短路或过压、过流变化信号来控制电源使其进行保护动作。当出现过压、过流、短路现象，PWM驱动电路停止输出。
图2为本实施例直流升压电路结构图，其中Ubt为输入直流电压源，C0为滤波电容，Q1、Q2为开关管，T为推挽高频变压器，D1、D2为全波整流二极管，L、C组成LC滤波器，R为输出负载，Uout为输出电压。变压器原边线圈N1、N2的两端分别和两个开关管相连，中心抽头与电源正极相连；副边线圈N3、N4的两端分别接在全波整流二极管的阳极，其中心抽头为输出电压负极，整流后经L、C滤波后为负载供电。
当Q1导通，Q2关断时，整流二极管D1承受正压处于通态，D2反向截止。整流后经L、C滤波后为负载供电；当Q1关断，Q2导通时，整流二极管D2承受正压处于通态，D1反向截止，整流后经L、C滤波后为负载供电；当Q1、Q22均关断时，D1、D2都处于通态，各分担一半电流。
当Q1导通，Q2关断时，原边线圈导通部分电压为电源电压，即UN1＝BAT，而T01中心抽头上下两部分的感应电动势相等，即UN1＝UN2＝Ubt。并且Q2两端电压为电源电压与原边线圈中心抽头以下的感应电动势之和，即UQ2＝Ubt+UN2。所以，Q1、Q2断态时承受的峰值电压为电源电压的两倍，即UQ＝2Ubt。
若Q1、Q2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此要避免此种情况发生，每个开关管的占空比不得大于50％，并设置一定的死区时间。
当开关管Q1导通，Q2关断时，输入电压Ubt加在原边线圈N1上，并在副边线圈N4上产生感应电动势，使二极管D1承受正压而导通，经LC滤波后为负载供电，此时二极管D2因承受反压而截止。此时的输出电压UOUT为
Figure BDA0003041315030000041
当开关管Q2导通，Q1关断时，输入电压Ubt加在原边线圈N2上，并在副边线圈N3上产生感应电动势，使二极管D2承受正压而导通，经LC滤波后为负载供电，此时二极管D1因承受反压而截止。此时的输出电压Uout为
Figure BDA0003041315030000042
又因为N1＝N2，N3＝N4，总输出电压为两开关状态下输出电压之和，所以有
Figure BDA0003041315030000043
以上为输出电流连续情况，当输出电流断续时，输出电压Uout将高于上式的计算值，并随负载的减小而升高，在负载为零的极限情况下，
Figure BDA0003041315030000044
以前的直流升压逆变电源往往采用工频变压器，工作在线性频率，功率管一直为开通状态，效率较低。本发明逆变电源，主电路采用推挽拓扑结构，这一结构使得变压器双向磁化，能够高效率利用铁芯，工作频率高；且功率器件是开关状态，能够减少变压器的体积，整个电源的体积随之减小。同时，开关管频率为输出PWM波频率的1/2，有利于减小输出直流母线电压的脉动减小滤波电感的大小，提高稳压精度；变压器原边电路结构简单，有利于提高输入电压的利用率。
本实施例将直流电压变换成交流的控制芯片，采用TL494芯片作为PWM发生和控制芯片。TL494内部采用的是一种频率固定，脉冲宽度可调制的集成电路，改变TL494外部元器件参数来改变频率，脉冲宽度可调制的集成电路，开关电源的控制、调制和保护电路尽在其中，在单端正激式、半桥式、全桥式以及推挽式开关电源中得到广泛应用。其内部集成了全部脉冲宽度调制电路；片内置有线性锯齿波振荡器，外部只需一个电阻一个电容来组成震荡元件；内置误差放大器；5V基准参考电压源置于片内；死区时间可调；拥有400mA驱动能力的功率晶体管置于片内；拥有推拉两种输出方式。
图3中Ud为输入直流电压，C为平波电容，Q1～Q4为四个开关管，D1～D4为四个续流二极管，R和L组成阻感性负载。其中Q1的漏极接电源电压的正极，源极与Q2漏极相连，Q2源极接电源电压的负极。如此组成一个上下桥臂。同理Q3Q4组成另一个桥臂。续流二极管D1～D4分别反向并联在四个开关管的两端。Q1、Q4为一组开关管同时导通或关断，Q2、Q3为一组开关管同时导通或关断。两对管子交替导通180°。两桥臂中点即为输出，此电路输出感性负载。
第一时刻，开关管Q1、Q4导通，Q2、Q3关断，此时输出电压为Uo输出电流逐渐增大，二极管D1～D4均承受方向电压而截止。第二时刻，一开始Q4关断，Q1还未关断，此时续流二极管D3导通，为负载电流续流，电流流经Q1、负载、D3形成回路，并逐渐减小；然后Q1也关断，此时二极管D2导通续流，输出电流回馈给输入电压Ud并进一步减小。电流经过D2、负载、D3、电压源Ud形成回路。第二时刻电流减小为零。第三时刻，开关管Q1、Q4关断，Q2、Q3导通，此时输出电压为-UO，输出电流逐渐增大，二极管D1～D4均承受方向电压而截止。第四时刻，一开始Q3关断，Q2还未关断，此时续流二极管D4导通，为负载电流续流，电流流经Q2、负载、D4形成回路，并逐渐减小；然后Q2也关断，此时二极管D1导通续流，输出电流回馈给输入电压Ud并进一步减小。电流经过D4、负载、D1、电压源Ud形成回路。第五时刻电流减小为零。第五时刻的电流变化与第一时刻相同。第四时刻同第二时刻一样，又是下一个开关周期的开始。
对电压波形进行定量分析，把幅值为Ud的矩形波展开成傅里叶级数得
Figure BDA0003041315030000051
其中基波幅值Uom与基波有效值Uol分别为
Figure BDA0003041315030000052
Figure BDA0003041315030000053
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种直流升压电路的逆变电源，包括直流电压输入电路、EMI抗干扰电路、直流滤波电路、推挽功率电路、PWM控制电路、变压器升压电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、交流滤波电路、交流输出电路、PWM驱动电路、电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块和参考电流模块；其特征在于，
所述直流电压输入电路的输出端连接EMI抗干扰电路输入端，所述EMI抗干扰电路输出端连接直流滤波电路输入端，所述直流滤波电路输出端连接推挽功率电路输入端，所述推挽功率电路输出端连接变压器升压电路输入端，所述变压器升压电路输出端连接整流滤波电路输入端，所述整流滤波电路输出端连接全桥逆变电路输入端，所述全桥逆变电路输出端连接交流滤波电路输入端，所述交流滤波电路输出端连接交流输出电路；
所述交流输出电路有四路输出，分别与电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块、参考电流模块输入端连接；所述电压反馈电路、电流反馈电路、参考电压模块与参考电流模块的输出端分别连接PWM驱动电路输入端；
所述PWM控制电路与所述推挽功率电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流升压电路的逆变电源，其特征在于，直流升压电路的结构包括：滤波电容C0、开关管Q1、开关管Q2、推挽高频变压器T、全波整流二极管D1、全波整流二极管D2、LC滤波器和输出负载R；所述推挽高频变压器T的原边线圈N1和线圈N2的两端分别和开关管Q1、开关管Q2相连；所述推挽高频变压器T的中心抽头与电源正极相连；所述推挽高频变压器T的副边线圈N3和线圈N4的两端分别和全波整流二极管的阳极相连；所述推挽高频变压器T的中心抽头为输出电压负极，整流后经LC滤波器滤波后为负载R供电。
3.根据权利要求2所述的一种直流升压电路的逆变电源，其特征在于，开关管Q1和开关管Q2的占空比均不大于50％。
4.根据权利要求1所述的一种直流升压电路的逆变电源，其特征在于，所述全桥逆变电路的结构包括：平波电容C、四个开关管、四个续流二极管、以及阻感性负载，其中，开关管Q1的漏极接电源电压的正极，其源极与开关管Q2的漏极相连，开关管Q2的源极接电源电压的负极；开关管Q3的漏极接电源电压的正极，其源极与开关管Q4的漏极相连，开关管Q4的源极接电源电压的负极；四个续流二极管分别反向并联在四个开关管的两端。
5.根据权利要求4所述的一种直流升压电路的逆变电源，其特征在于，所述开关管Q1和开关管Q4为一组同时导通或关断的开关管；开关管Q2和开关管Q3为一组同时导通或关断的开关管；两组开关管交替导通180°。
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