小功率单相逆变电源的设计制作毕业设计.docx
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小功率单相逆变电源的设计制作毕业设计
毕业设计（论文）
（2012届毕业生）
题目小功率单相逆变电源的设计制作
指导教师
系部电子与新能源工程技术系
摘要
该设计主要应用电力电子电路技术和开关电源电路技术有关知识。
涉及模拟集成电路、电源集成电路、直流稳压电路、开关稳压电路等原理，充分运用芯片KA7500B的固定频率脉冲宽度调制电路及场效应管（N沟道增强型MOSFET）的开关速度快、无二次击穿、热稳定性好的优点而组合设计的电路。
该逆变电源的主要组成部分为：
DC/DC电路、输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路、DC/AC变换电路、振荡电路、全桥电路。
在工作时的持续输出功率为150W，具有工作正常指示灯、输出过压保护、输入过压保护以及过热保护等功能。
该电源的制造成本较为低廉，实用性强，可作为多种便携式电器通用的电源。
关键词：
过热保护；过压保护；集成电路；振荡频率；脉宽调制
Abstract
Themainapplicationofpowerelectroniccircuitdesigntechnologyandswitchingpowersupplycircuittechnologyknowledge.Involvesanalogintegratedcircuits,powersupplyintegratedcircuits,DCcircuit,theswitchingregulatorcircuittheory,makefulluseofthechipKA7500BfixedfrequencypulsewidthmodulationcircuitandFET（N-channelenhancementmodeMOSFET）switchingspeed,nosecondbreakdown,thermalstability,goodbenefitsandthemodulardesignofthecircuit.Theinvertermaincomponents:
DC/DCcircuit,input
over-voltageprotectioncircuit,outputover-voltageprotectioncircuit,overheatprotectioncircuit,DC/ACconversioncircuit,oscillationcircuit,full-bridgecircuit.Intheworkofcontinuousoutputpowerof150W,withanormallightwork,outputovervoltageprotection,inputover-voltageprotectionandthermaloverloadprotection.Thepoweroftherelativelylowmanufacturingcost,practical,andavarietyofportableelectronicdevicescanbeusedasacommonpowersupply.
Keywords:
thermalprotection;over-voltageprotection;integratedcircuits;oscillationfrequency;pulsewidthmodulation
目录
第一章概述1
1.1该逆变电源的基本构成和原理1
1.2逆变电源的技术性能指标及主要特点2
第二章逆变电源的主要元器件及其特性3
2.1KA7500B电流模式PWM控制器3
2.2场效应管6
2.3三极管7
2.4LM324N功能及特点7
第三章各部分支路电路设计及其参数计算9
3.1DC/DC变换电路（附工作指示灯）9
3.2输入过压保护电路10
3.3输出过压保护电路11
3.4DC/AC变换电路11
3.5KA7500B芯片І外围电路13
3.6KA7500B芯片ІІ外围电路14
第四章调试及整机原理图16
4.1调试16
4.2该逆变电源的整机电路原理图（附录A）16
4.3该电路的元件参数表（附录B）16
附录A整机原理图17
附录B元件参数表18
参考文献20
致谢21
第一章概述
1.1逆变电源的基本构成和原理
（1）基本构成
该设计电路的方框图如图1。
该电路由12V直流输入、输入过压保护电路、过热保护电路、逆变电路I、220V/50KHz整流滤波、逆变电路II、输出过压保护电路等组成。
逆变电路I、逆变电路II的框图分别见图2、图3。
逆变电路又包括频率产生电路（50KHz和50HzPWM脉冲宽度调制电路）、直流变换电路（DC/DC）将12V直流转换成220V直流、交流变换电路（DC/AC）将12V直流变换为220V交流。
图1整机原理方框图
逆变电路I原理如图2所示。
此电路的主要功能是将12V直流电转换为220V/50KHz的交流电。
图2逆变I电路原理方框图
逆变电路II如图3所示。
此电路的主要功能是将220V直流电转换为220V/50Hz的交流电。
全桥电路以50Hz的频率交替导通，产生50Hz交流电。
图3逆变II电路原理方框图
（2）电路工作原理
输入12V直流电源电压，经过逆变电路I得到220V/50KHz的交流电，此交流电再经过整流滤波电路得到220V高压直流电，然后经过逆变II得到220V/50Hz交流电。
其中输入过压保护电路、输出过压保护电路、过热保护电路构成整个电路的保护电路。
一旦输入电压出现过大或者过小时，保护电路立即启动，然后停止逆变电路I的工作。
过热保护电路是当电路工作温度过高时，启动保护使逆变电路I停止工作。
输出过压保护电路与逆变电路II构成反馈回路，一旦电路输出异常则停止逆变电路II的工作。
在逆变电路I中是用一块KA7500B芯片产生50KHz的脉冲频率，经过变压器推挽电路将12V直流转换成220V/50KHz的交流电。
在逆变电路II中再用一块KA7500B芯片产生50Hz的脉冲波，全桥电路以50Hz的频率交替导通，从而将220V直流和50Hz脉冲电路整合，然后输出220V/50Hz的交流电。
在该电路中都是利用KA7500B的输出端作为逆变电路工作状态的控制端。
1.2逆变电源的技术性能指标及主要特点
（1）输入：
12V直流（汽车蓄电池）。
（2）输出：
220V交流（非正弦波）。
（3）输出功率：
大于100W。
（4）具有输入过压保护和输出过压保护。
（5）有过热保护功能。
（6）可作为多种电器的通用电源。
（7）含有工作正常指示灯。
第二章逆变电源的主要元器件及其特性
2.1KA7500B电流模式PWM控制器
KA7500B是一块开关式脉冲宽度调控电路，主要用于开关式电源控制。
采用DIP16/SOP16封装形式。
KA7500B是一块脉冲宽度调制方式的开关稳压控制器电路，由基准电压震荡器误差放大器比较器FF（触发器）输出控制电路输出晶体管和空载时间等电路构成输出晶体管，能够用输出控制电路选择推挽工作或单端放大工作。
（1）主要特征
KA7500输出电流：
I0=200mA
工作频率：
f=1~300kHz
内置两个相同类型的误差放大器
内置5V基准电压
可选择输出方式
（2）脉宽调制集成电路KA7500B各引脚功能及实测数据参见表1。
表1：
脉宽调制集成电路KA7500B各引脚功能及实测数据
引脚号
引脚功能
工作电压（V）
在路电阻值（KΩ）正向
反向
1
电压取样放大器同相输入端
4.8
4.5
7
2
电压取样放大器同相输入端
4.6
8
8.8
3
反馈控制端
2.2
9.2
∞
4
脉宽调制输出控制端（死区控制端）
0
9.5
19
5
振荡1
0.6
9
12.6
6
振荡2
0
9
21
7
地
0
0
0
8
脉宽调制输出1
2
7.5
21
9
地
0
0
0
10
地
0
0
0
11
脉宽调制输出12
2
7.5
21
12
电源输入端
5
6.2
17
13
输出方式控制端
5
4
4
14
电压取样比较放大器负端
5
4
4
15
电流取样放大器反相输入端
5
4
4
16
电流取样放大器同相输入端
2
7.5
8
（3）工作原理
KA7500控制2个功率开关管轮流开、闭，并通过高频变压器将能量传送到次级，然后通过高频整流二极管还原成直流低电压，经过滤波后提供+12V、+5V、-5V、-12V电压。
通过1脚的取样电路我们可以调节整个输出部分的电压大小。
整个回路选用元件比较普通，但安排的很整齐，没有东倒西歪的元件，结构规范。
高频变压器比正常的略大一些，电阻全部采用4环1/8W电阻，全部卧式焊接，最后用高温胶固定较大的部件。
图4KA7500B内部结构图
·输入电源电压为7~40V，可用稳压电源作为输入电源，从而使辅助电源简化。
KA7500B
末级的两只三极管在7~40V范围工作时，最大输出电流可达250mA。
因此，其带负载能力较强，即可按推挽方式工作，也可将两路输出并联工作，小功率时可直接驱动。
·内部有5V参考电压，使用方便，当参考电压短路时，有保护功能，控制很方便。
·内部有一对误差放大器，可做反馈放大及保护功能，控制非常方便。
·在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中又需要方波人为不对称，
即需控制方波的占空比。
通过对KA7500B的4脚控制，即可调节占空比，还可作输出软启动保护用。
·可以选择单端、并联及交替三种输出方式。
KA7500B的1脚及2脚为误差放大器的输入端。
由KA7500B芯片构成电压反馈电路时，1、2脚上通过电阻从内部5V基准电压上取分压，作为1脚比较的基准。
3脚用于补偿校正，为PWM比较器的输入端，接入电阻和电容后可以抑制振荡，4脚为死区时间控制端，加在4脚上的电压越高，死区宽度越大。
当4脚接地时，死区宽度为零，即全输出；当其接5V电压时；死区宽度最大，无输出脉冲。
利用此特点，在4脚和14脚之间接一个电容，可达到输出软启动的目的，还可以供短路保护用。
5脚及6脚接振荡器的接地电容、电阻。
KA7500B内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：
（1）
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而实现的。
三极管VT1和VT2受控于或非门。
当双稳态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时才会被选通。
当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小。
控制信号由集成电路外部输入，其中一条送至死区时间比较器，另一路送往误差放大器的输入端。
死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%。
当输出端接地时，最大输出占空比为96%，当输出端接参考电平时，占空比为48%。
在死区时间控制端上接固定电压（在0~3.3V之间）时，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
PWM比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提供了一个手段：
当反馈电压从0.5V变为3.5V时，输出的脉冲宽度由被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。
两个误差放大器具有从-0.3V到Ucc-2.0V的共模输入范围，这可从电源的输出电压和电流中察觉到。
误差放大器的输出端常处于高电平，它与PWM比较器反相输入端进行“或”运算。
正是由于这种电路结构，误差放大器只需最小的输出即可支配控制回路。
当Ct放电时，一个正脉冲将出现在死区时间比较器的输出端，受脉冲约束的双稳态触发器进行计时，同时停止VT1和VT2的工作。
若输出控制端连接到参考电压上，那么调制脉冲交替送至两个三极管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。
如果工作于单端状态，且占空比小于50%时，则输出驱动信号可分别从VT1和VT2中取得。
输出变压器为一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下，当需要更大的驱动电流输出时，可将VT1和VT2并联使用，这时需将输出模式控制端接地，以关闭双稳态触发器。
在这种状态下，输出脉冲的频率将等于振荡器的频率。
KA7500B内置一个5V的基准电压产生电路，使用外置偏置电压时，可提供高达10mA的负载电流。
在典型的0℃~70℃温度范围和50mV电压的温漂条件下，该基准电压产生电路能提供±5%的精度。
2.2场效应管
场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。
它是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件[3]。
其代表符号如图5。
这种器件不仅兼有开关速度快、无存储时间、体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因此大大的扩展了它的应用范围，特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。
MOSFET开关较快而无存储时间，故在较高工作频率下开关损耗较小，另外所需的开关驱动功率小，降低了电路的复杂性。
本设计采用的是N沟道增强型MOSFET。
只有在正的漏极电源的作用下，在栅源之间加上正向电压（栅极接正，源极接负），才能使该场效应管导通。
当
>0时才有可能有电流即漏极电流产生。
即当
时MOS管才导通。
图5MOSFET代表符号图
2.3三极管
本设计选用了两种三极管，因为电路中有50KHz和50Hz两个频率，用于50KHz电路的三极管选择为8550型[4]，而用于50Hz低频的三极管选择为KSP44型。
三极管的工作状态有截止、放大、饱和三种。
此设计电路中主要运用三极管的导通截止的开关特性。
2.4LM324N功能及特点
LM324是四运算放大器。
内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM324N的内部电路图
LM324N的管脚排列图
LM324N的特点
★内部频率补偿
★直流电压增益高（约100dB）
★单位增益频带宽（约1MHz）
★电源电压范围宽：
单电源（3—32V）；
双电源（±1.5—±16V）
★低功耗电流，适合于电池供电
★低输入偏流
★低输入失调电压和失调电流
★共模输入电压范围宽，包括接地
★差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
★输出电压摆幅大（0至VCC-1.5V）
第三章各部分支路电路设计及其参数计算
3.1DC/DC变换电路（附工作指示灯）
（1）由DC/AC和整流滤波电路组成[5]。
电路结构如图6，VT1和VT2的基极分别接KA7500B的两个内置晶体管的发射极。
中心器件变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。
此脉冲电压经过整流滤波电路变成220V高压直流电压。
变压器T1的工作频率选为50KHz左右[4]，因此T1可选用EI33型的高频铁氧体磁心变压器，变压器的匝数比为
，变压器选择为E型，可自制。
经过实践调制选择初级匝数为10×2，次级匝数为190。
即满足变压器匝数比约为0.05。
电路正常时，KA7500B的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管VT1、VT2的基极也因此而交替导通，VT3和VT4交替导通。
因为变压器选择为E型，这样使变压器工作在推挽状态，VT3和VT4以频率为50KHz交替导通，使变压器的初级输入端有50KHz的交流电。
当VT1导通时，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。
当VT1导通时，VT2截止，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。
且交替导通时其峰值电压为12V，即产生了12V/50KHz的交流电。
当电路工作不正常时，KA7500B输出控制端为低电平时，KA7500B的两个内置晶体管的集电极（8脚和9脚）有12V正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。
VT1和VT2因为基极都为高电平而饱和导通，而场效应管VT3、VT4将因栅极无正偏压都处于截止状态，逆变电源停止工作，LED指示灯熄灭。
极性电容C1滤去12V直流中的交流成分，降低输入干扰。
滤波电容C1可取为2200
。
R1、R2、R3起限流作用，取值为4.7
。
整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。
四只整流二极管D1~D4接成电桥的形式，称单相桥式整流电路[2]。
在桥式整流电路中，电容C2滤去了电路中的交流成分，由模拟电路直流稳压电源的电容滤波电路[2]知：
（2）当f=50KHz时，，R=116时，R为后继负载电阻，则F。
根据电容标称值选择C2为10。
输出220V高压直流电，供后继逆变电路使用。
图6直流变换电路图
3.2输入过压保护电路
电路结构如图7，由DZ1、电阻R1和电阻R2、电容C1、二极管VD1组成。
输出端口接KA7500B芯片I的同相输入端（第1脚），通过该芯片的误差比较器对其输出进行控制[6]，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。
因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进行负载保护。
VD1、C1、R1组成了保护状态维持电路，只要发生瞬间的输入电压过大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿C1和R1支路充电，继续维持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。
当C1和R1充电完成，C1和R2支路开始处于放电状态，当C1放电完成时，KA7500B芯片I的同相输入端由低电平翻转为高电平，导致KA7500B芯片I的3脚即反馈输入端为高电平状态，进而导致KA7500B芯片内部的PWM比较器、或门、或非门的输出均发生翻转，KA7500B芯片内置功率输出级三极管VT1和VT2均转为截止状态。
此时将导致直流变换电路的场效应管处于截止状态，直流变换电路停止工作。
同时KA7500B的4脚为高电平状态，4脚为高电平时，将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器的输出为恒定的高电平，由KA7500B芯片内部结构知，芯片内置三极管截止，从而停止后继电路的工作。
稳压管的稳压值一般为输入电压的100%~130%。
稳压管DZ1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值。
考虑到汽车行驶过程中电瓶电压的正常值变化幅度大小，通常将稳压管的稳压值选为15V或者16V较为合适。
在此取为15V，稳压管的功率为0.15W。
R1取为100
，R2、R3均取为4.7
，C1、C2均取为47
。
图7输入过压电路保护图
3.3输出过压保护电路
电路结构如图8，当输出电压过高时将导致稳压管DZ1击穿，使KA7500B芯片II的4脚对地的电压升高，启动KA7500B芯片II的保护电路，切断输出。
VD1、C1、R2组成了保护状态维持电路，R3、R4为保护电阻，用以增大输出阻抗。
稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%~150%[7]。
后继电路为220V/50Hz输出，其中负载电阻为100
，KA7500B芯片II的输出脚电压最大为12V，R1为限流电阻可取值为100
，R2为保护电阻可取为16
，根据电路分压知识[8]，则R2上的电压为：
V（3）即稳压管的电压取值最大为30.34V，这里稳压管取值为30V。
图8输出过压电路保护图
3.4DC/AC变换电路
电路结构如图9，该变换电路为全桥桥式电路[6]。
其中KA7500B芯片的8脚和11脚为内置的两个三极管的集电级，且两个内置三极管是交替导通的，变替导通的频率为50Hz。
图中8脚和11脚分别接入了上下两部分完全对称的桥式电路，因为两三极管交替工作，工作频率为50Hz，所以选用桥式电路，目的在于得到50Hz交流电。
上下两部分电路工作过程完全相同。
选其中一部分作为说明。
这里将其简化如图10。
图中VT0为KA7500B芯片II的一个内置三极管设为VT00，另一个设为VT01。
当VT00导通时，即VT01截止时：
VT1的基级没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3的栅极有12V正偏电压，使VT3导通。
而VT4因为栅极无正偏压截止，输出220V电压。
当VT00截止时，即VT01导通时：
VT1基级有12V正偏压，集电极有12V反向电压，从而导通。
VT3的栅极无正偏电压，从而使VT3截止。
而VT4因为栅极有12V正偏压导通。
因为VT3截止，220V电压无法送至输出。
但此时下半部分的电路有220V电压输出。
因为此时KA7500B芯片II的另一个内置三极管VT01导通，它的集电极即第11脚使逆变电路I有220V电压输出。
原理同上。
上下两部分以频率为50Hz而交替导通，从而使电路有220V/50Hz的交流电输出。
由于KA7500B芯片为脉冲调制器，其产生的波形为脉冲波而不是正弦波。
VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6应选择低频小功率型的。
这里VT1和VT2为晶体三极管可选择KSP14型，VT3、VT4、VT5和VT6为场效应管可选择为IRF740型。
限流电阻可选择10
、1
、4.7
、3.3
的经典取值。
C1、C2和C3均为平滑输出的吸收电容。
C1和C2可取为10
，C3取为0.01
。
图9DC/AC转换电路图
图10简化图
3.5KA7500B芯片І外围电路
电路结构如图11，包含过热保护电路及振荡电路。
15脚为芯片KA7500B的反相输入端，16为同相输入端，电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出为低电平，才能使芯片内两个三极管正常工作。
因为芯片内置5V基准电压源，负载能力为10mA。
所以15脚电压应高于5V。
15脚电压计算式为：
（4）这里
为正温度系数热敏电阻，常温阻值可在150~300
范围内任选，适当选大写可提高过热保护电路启动的灵敏度。
这里取200
。
R1取36
，R2取39
，则15脚电压为6.22V。
符合要求。
该脉宽调制器的振荡频率为50KHz，由公式
（1）知
，图中C2、R3为芯片的振荡元件。
C2即为
，R3即为
。
其中
取为50KHz，C2取4700
，则R3取4.3
。
图11KA7500B芯片I外围电路
3.6KA7500B芯片ІІ外围电路
电路结构如图12，同样15脚为芯片KA7500B的反相输入端，16脚为同相输入端，电路正常情况下15脚电压应略高于16脚电压才能保证误差比较器II的输出为低电平，才能使芯片内两个三极管正常工作。
因为芯片内置5V基准电压源，由图可知15脚的电压为5V，16脚的电压为0V。
芯片内置比较器II的输出为低电平。
5脚和6脚为振荡器的定时电容和定时电阻接入端。
因为要使输出频率为50Hz，由公式
知：
当
取为220
时，
，可取为0.1
。
C1和R2是芯片的振荡元件，即是R2取值为220
，C1取值为0.1
。
芯片的8脚和11脚接逆变电路II，4脚接输入过压保护电路。
电容C2取值为47
，电阻R3取值为10
，当输入过压保护
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