1、通用纯正弦波逆变器制作概述本逆变器的 PCB 设计成 12V、24V、36V、48V 这几种输入电压通用。制作样机是 12V 输入，输出功率达到 1000W 功率时，可以连续长时间工作。该逆变器可应用于光伏等新能源，也可应用于车载供电，作为野外应急电源，还可以作为家用，即停电时使用蓄电池给家用电器供电。使用方便，并且本逆变器空载小，效率高，节能环保。设计目标1、PCB 板对 12V、24V、36V、48V 低压直流输入通用；2、制作样机在 12V 输入时可长时间带载 1000W；3、12V 输入时最高效率大于 90%；4、短路保护灵敏，可长时间短路输出而不损坏机器。逆变器主要分为设计、制作、调
2、试、总结四部分。下面一部分一部分的展现。第一部分 设计1.1 前级 DC-DC 驱动原理图DC-DC 驱动芯片使用 SG3525，关于该芯片的具体情况就不多介绍了。其外围电路按照pdf 里面的典型应用搭起来就 OK。震荡元件 Rt=15k，Ct=222 时，震荡频率在 21.5KHz 左右。用 20KHz 左右的频率较好，开关损耗小，整流管的压力也小些，有利于效率的提高。不过频率低，不利于器件的小型化，高压直流纹波稍大些。电池欠压保护，过压保护以及过流保护在 DC-DC 驱动上实现。用比较器搭成自锁电路，比较器输出作用于 SG3525 的 shut_down 引脚即可。保护电路均是比较器搭建的
3、常规电路。DC-DC 驱动部分使用了准闭环，轻载时，准闭环将高压直流限制在 380V 左右，一旦负载加重前级立即进入开环模式，以最高效率运行。并且使用了光耦隔离，前级输入和输出在电气上是隔离开的，这样设计也是为了安全。如图 1.1 所示，是 DC-DC 驱动电路原理图。图 1.1 DC-DC 驱动电路原理图1.2 前级 DC-DC 功率主板原理图DC-DC 功率主板采用的是常规推挽电路，8 只功率开关管，每只管子有单独的栅极驱动电阻，分别用图腾驱动这 8 只功率管。变压器次级高压绕组经整流滤波后得到直流高压。辅助绕组经整流滤波稳压之后给后级 SPWM 驱动板以及反馈用的光耦提供电压供电。从原理
4、图上可以看出，给前级驱动板供电，采用了电压变换电路，输入为 12V 时，为了保证在电池电压较低时前级驱动也充足，用 LM2577 升到 15V，输入 24V 时，用 LM7815降为 15V，输入电压大于 36V 时，只能用 LM2576HV 来给驱动板供电了。大家都知道，像LM7815 之类的线性电源容易受到干扰，所以建议 24V 的也用 LM2576。从原理图中可以看出，辅助电源也用了 LM7815，建议最好换成 LM2576。本次制作的时候也会用 LM2576，把 LM2576 做在一块小板子上，最后输出三根线，和 LM7815 兼容。关于前级驱动变压器的功率管选择，耐压值的经验选择为输
5、入最高电压*2.4，即当12V 的机器，输入电压最高为 14.5V，14.5V*2.4=34.8V，所以，12V 的机器可以选耐压 35V的 MOS。当然，这么选择是有前提的，就是你的变压器绕制工艺不能太差，漏感、分布参数不能太大，否则 MOS 会被变压器产生的尖峰击穿损坏。如果变压器绕制过关，可以选择耐压小点的管子，一般来说，电流相同，耐压更高的管子输入电容更大，内阻也更大。但如果变压器绕的不咋样，乖乖，还是选择耐压高些的 MOS 管更好。下面给出各种电压选择管子的参考：12V 输入，4 对 IRF4104；24V 输入，4 对IRFP3710；36V 输入：3 对 IRFP3710；48V
6、 输入：3 对 IXFH58N20。我给出的这些管子并不是最合适的，但是这些管子都是我用过的，并且留有足够余量，实现本制作目标是没啥问题的。图 1.2 所示是 DC-DC 功率主板原理图。图 1.2 DC-DC 功率主板原理图关于变压器，打算用一个 EE55 来完成。12V 输入时，初级 2T+2T，单边用 1.0 的漆包线 14 根并绕，截面积达到 11*2=22 平方毫米，过 100A 的电流没问题了。次级 1 根 1.0 的漆包线绕 60T，辅助绕组用 0.8 的漆包线绕 4T。变压器用三明治绕法，即次级、初级、次级、辅助。关于变压器的具体绕制，后面再说。做 24V 输入的，EE55，初
7、级 4T+4T，单边用 1.0 的线 8 根并绕。次级 1 根 1.0 的漆包线绕 60T，辅助绕组用 0.8 的漆包线绕 4T。做 36V 输入的，EE55，初级 6T+6T，单边用 1.0 的线 8 根并绕。次级 2 根 0.9 的漆包线绕 60T，辅助绕组用 0.8 的漆包线绕 4T。做 48V 输入的，EE55，初级 8T+8T，单边用 1.0 的线 8 根并绕。次级 2 根 1.0 的漆包线绕 60T，辅助绕组用 0.8 的漆包线绕 4T。由于 24V、36V、48V 输入时，功率可以大于 1000W，因此漆包线的截面积（即漆包线根数）也应该增加，那样才能扛得住更大的功率。按照我上面
8、给的参数，24V 时能到1500W，36V 能到 2000W，48V 搞个 2500W 或者 3000W 没啥问题。要说明的是，上面给出的参数我目前还没实际做过，给出的参数只作为参考。1.3 SPWM 驱动板原理图设计SPWM 采用专用芯片 EG8010 产生。EG8010 还是挺好用的，虽然精度差些，但是也没有什么其他不好的，而且功能还挺多，最重要的是便宜，5 元一片，都玩得起。关于 EG8010的外围电路，参照其数据手册即可。MOS 驱动用 IR2110，IR2110 便宜，一只 2110 就可以驱动两只 MOS，而且价格还比TLP250 光耦便宜些，性能也不错，我比较喜欢的就是 IR21
9、10 有 SHUT_DOWN 引脚，内部有D 触发器，在做保护时，可以做成逐个周期限流。即一个 50Hz 的正弦周期保护后，要等到下一个正弦周期 IR2110 才会重新输出。大家看我做的 24V/2000W 的那个机器短路波形可以发现，在短路的时候，频率仍然为 50Hz，这个就是 IR2110 内部有 D 触发器的原因了。关于 IR2110 供电问题，就用自举供电。1000W 的功率不大，自举供电完全 OK，如果做独立供电，需要至少三组隔离电源，比较麻烦，并且反激电源并不好做。后级 MOS 的保护集成在 SPWM 驱动板上，采用检测管压降，稳定可靠，个人认为，比那种用电阻采样的要更可靠。关于管
10、压降保护的，我不多讲，这也是我从别处学过来的，有些东西不方便说，好像是涉及了别人专利问题。我只说，按照我原理图里面的那些元件搭建起来，是完全可以的。该逆变器采用的是单极性调制，故只需要一只电感，电感可以用外径 47mm、磁导率小于 90 的铁硅铝来绕，绕 120T 左右。具体数字要等我绕电感时才能确定，现在磁环都还没买好，电感的事就暂时放一放。如下面图 1.3 所示是 SPWM 驱动板原理图。图 1.3 SPWM 驱动板原理图1.4 后级 DC-AC 功率版原理图设计DC-AC 原理图部分没啥好讲的，也就是 MOS 搭成的一个全桥，在输出接 LC 滤波就 OK。DC-AC 部分加入了高压检测电
11、路来控制 SPWM 驱动板的电源。即直流高压大于 240V 时辅助电源才接通，后级开始工作。还有辅助电源下降时关掉 SPWM 驱动的电路，防止当辅助电源降低而高压直流还较高时因为功率管驱动不足引起的炸管事故，增加这个功能后就可以安全的短路关机了，不然的话，短路关机是很危险的。如下图 1.4 所示是 DC-AC 功率版原理图。图 1.4 DC-AC 功率版原理图1.5 原理图综合由于有了做上一版 24V 逆变器的经验，所以这次我不打算再像上次那样做成几个模块了。这次我做成一个整体的，即把 DC-DC 升压以及 DC-AC 逆变都做在一张板子上，所以还需要一个原理图综合的部分，把原理图综合起来，都
12、弄好后，就可以开始布局布线了。这个原理图是我这次做的机器的依据。这次的机器主体结构是下面一张大的主板，主板上面是功率器件，然后前级驱动、SPWM、温控风扇等部分是小板子，做成立式都插在主板上面，甚至代替 LM7815 的 LM2576 的小板子也是插在主板上的，大伙觉得这样设计如何？反正我是比较喜欢。如图 1.5 所示，是整个机器的原理图，和前面分开分析的电路是一样的。原理图里写了注释，我就不再多说了。第二部分 PCB 设计2.1 PCB 布局布线原理图弄完了，下面开始 PCB 布局布线了。由于之前做了 24V/2000W 的机器，所以前级驱动板和 SPWM 驱动板可以直接用，不用重新做了。先
13、上个前级驱动和 SPWM 驱动板的截图上来。图 2.1 前级驱动板 PCB 图 2.2 前级驱动板背面的 3D 效果图如图 2.1 所示，是前级 DC-DC 驱动板的 PCB 图。注意看标尺的尺寸：40.132mm*27.051mm，很迷你，但是功能是没缩水。这就是用直插芯片和贴片阻容的效果，可以做到很小的体积，甚至比全贴片的还要小。如图 2.2 所示，是前级驱动板的背面 3D 图，说实话，不太好看，不过实物要漂亮些。如图 2.3 所示，是 SPWM 驱动板的 PCB 图，尺寸 77.343mm*44.577mm，体积不算大。如图 2.4 所示，是 SPWM 驱动板的 3D 效果图。图 2.3
14、 后级 SPWM 驱动板的 PVB 图 图 2.4 后级 SPWM 驱动板驱动板背面的 3D 效果图2.2 变压器制作变压器是 EE55 卧式磁芯，12V/20KHz 左右时出 1000W 没问题，并且还留有余量。初级2T+2T，用 0.8 的线 20 根并绕。次级 60T，用 0.8 的线 2 跟并绕。辅助 0.8 的线绕4T。先绕两层次级，大概是 40T，然后是初级，初级完了之后是剩下的 20T 次级，最后是4T 的辅助绕组。如图 2.5 所示，是 DC/DC 部分主变压器的绕组结构示意图。图 2.5 DC/DC 部分主变压器绕组结构示意图这是骨架从旁边看过去（即骨架两边的引脚都在下面）的
15、示意图，中间的方块是磁芯中间那个部分。从里到外，依次是次级、初级、次级、辅助绕组。图 2.5 中 1 和 2 绕组是最里面的 2 层次级绕组。3 是初级的中间抽头，4 和 5 是初级的另外两个抽头，次级一共有 2 层。4 和 5 是相交叉的，故图中 4 和 5 的线叠在一起了。6和 7 是剩下的 20T（1 层）的次级。8 和 9 是辅助绕组。1 和 2 的次级绕组用 0.8 的线 2 条并绕，先绕 40T 即可，40T 大概是 2 层。绕的时候注意将漆包线拉紧，以减小漏感，但不能太用力，不要把漆包线外面的绝缘漆弄掉了，还要注意将线绕平整，绕之前漆包线不平整的，先用工具弄直了再绕。注意每一层绕
16、完后要用高温胶带粘好，要做好绝缘。绝缘不好，绕组之间短路就麻烦了。绕好之后把线头弄到旁边去，先不用固定在骨架的引脚上。2 层次级的实物图 2.6 所示。图 2.6 变压器 1、2 层绕组绕制次级绕好之后，加绕两层绝缘胶带，只需两层就好了，太多了会增加漏感，太少绝缘性能又不达标。接下来就是绕制初级了。我绕初级是把漆包线当成铜带来用的，就是把很多条漆包线都焊接在一个铜块上，然后再绕到变压器中，实践证明，这种办法较好，绕出来的变压器效果还不错。首先根据变压器骨架尺寸，量好绕 2T 需要的漆包线的长度，注意要把接头部分的考虑进去，然后乘以 2（另外一个绕组） 。我绕的时候取 50cm 左右，有点长了，
17、浪费了一些漆包线。剪好 20 根这个长度的漆包线。下面我们需要把这 20 根漆包线焊接到一块铜片上。就需要把这些线中间的绝缘漆刮掉一部分，刮好之后找个东西把这些漆包线压起来，中间刮掉漆的放在一块，开始焊接。看图吧 如图 2.7 所示。图片中的那个小的铜片是冰箱里面拆出来的铜管拍扁的。大家只要找差不多大小的就 OK。图 2.7 初级的绕制方法焊接好后就要开始绕初级了，初级是比较难搞的，大家都耐心点，仔细点。我绕这个变压器差不多是花了一天，俗话说慢工出细活，大概就是这个道理吧。我花了接近一天，绕出来的变压器效果还是蛮不错的。啰嗦了，继续。在变压器一侧的骨架上开个方形的口子，把那个铜片穿过去，如图
18、2.8 所示。然后在铜片上方贴好绝缘胶带。图 2.8 初级的绕组小铜条的固定方法接下来就是把那些漆包线绕骨架上折，在另一边先用螺丝刀作为临时固定的装置在绕的时候注意两个绕组的相互交叉的，这样有利于减小漏感，并且两个绕组很对称。以同样的办法，然后初级的第二层。抱歉，这里手不是很空，也没记住，就没拍照片了。接下来就是要焊接初级的另外两个电极了。具体怎么搞的请看图 2.9 所示。最后一个画面是焊接好的效果图。图 2.9 初级绕组绕好的效果初级搞完了，粘好胶带，继续绕次级。由于后面的比较简单，所以就没拍照了，有问题的再问。最后需要把两个次级连起来，注意里面的次级的同名端和外面次级的异名端相连，不能错。有电感表的，分别测两个次级的电感，两个次级串联好后，电感是两个次级单独的电感之和才对，否则就错了。比较可惜的是连绕好的变压器我都忘拍照了，现在变压器正在享受“油浴” （浸绝缘漆） ，我就不去打扰它了，等泡好漆干了再补照片。下面是小测试了一下变压器，只拍了波形，其他的都忘记了，其他的也不重要，测试的是一块 3525 搭的小板，两对 IRF3205 功率 MOS 管，负载是一只 200W 的白炽灯。白炽灯直接接到变压器的次级绕组上，不加整流滤波电路。白炽灯雪亮，实际功率大概 350W 左右，如图 2.10 所示，是场管 D 级波形，很好看吧，尖峰震荡都比较小，证明变压器效果还蛮好。
