基于PWM控制器KA7500B的逆变电源设计

基于PWM控制器KA7500B的逆变电源 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于PWM控制器KA7500B的逆变电源设 计 2006年3月25日第23卷第2期 通缱电碌梭j.: I'elecomPowerTechnologiesMar.25,2006,Vo1.23No.2 文章编号:10{)9—3664(2006)02—0013—03 基于PWM控制器KA7500B的逆变电源设计 :磊囊? 袁佑新,李波,辛华强,宋文珏 (武汉理工大学自动化学院,湖北武汉430()7()) 摘要:研究了一款高可靠性逆变电源的设计,对电源的结构和主要电路作了详细讨 论.本电源设计采用推挽升压与 全桥逆变电路,其脉宽调制波形产生芯片选用的是KA75()()B.该电源具有过压,欠 压,过热等保护功能,其运行稳定,具有 一 定的推广价值. 关键词:逆变电源;推挽;变压器 中图分类号:TN712文献标识码:A DesignofInverterPowerSupplyBasedonSwitchModePWMControllerKA75{}{}B YUANYOuxin,LIBo,XINHua-qiang,SONGWenyu (CollegeofAutomation,WuhanUniversityOfTechnology,Wuhan430070,China) Abstract:Thispaperintroducesakindofthedesignofinverterpowersupplywithhighreliabili tyandflexibility,the structureofthemaincircuitandthecontrolcirtuitarediscussedandanalyzedindetail.Thepow ersupplyusepush-pull step— uptransformerandfull-bridgevoltageMSPWMinverter,thePWMcontrollerisKA7500B.I tprovidesfunctionsofO ver-voltage,under-voltageandover-temperatureprotection.Fhepowerworksstablyinpract iceandthusitisworthtobe promoted. Keywords:inverterpowersupply;pushpull;transformer 0引言2逆变主电路设计 逆变电源应用广泛,随着片状电子元件, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面安装 技术及大规模集成电路的发展,电子产品越来越小型 化,轻型化,如何缩小电源的体积减轻重量,提高电源 的转换效率,增强对电网电压的适应性,是人们致力于 研究的重点.高频逆变技术可以有效地缩小电源变压 器的体积和重量,有效地提高电源的便携性和移动性. 将开关电源的设计方法应用于逆变电源的设计,可以 改善逆变电源的性能.本文介绍的是一款基于PWM 控制器KA75{)0B的逆变电源的设计. 1逆变电源系统设计 蓄电池提供的直流电压转化为220V交流电给负 载供电,其系统框图如图1所示. 图1逆变电源系统框图 收稿日期:20()51()30 作者简介:袁佑新(1953一),男,教授,主要研究方向:现代电力电 子与电力传动,远程控制与故障诊断技术. 逆变主电路框图如图2所示,逆变电源输入端为 蓄电池输出(+24V,容量100Ah),输出端为工频修 正正弦波电压(50Hz,220V),采用二级变换,即I)C/ DC变换和DC/AC逆变. 图2逆变主电路框图 首先由DC/DC变换将24V直流电压逆变为高 频方波,经高频升压变压器升压,冉整流滤波得到一个 稳定的约310V直流电;然后由DC/AC变换以修 正正弦波逆变的方式,将稳定的直流电压逆变成有效 值为220V的修正正弦波电压;再经IC工频滤波得 到有效值为220V的50Hz交流电压,以带动负载. 2.1DC/DC变换 D(:/D(:变换采用推挽式电路,原边中心抽头接蓄 电池BT,两端用开关管Q,Q控制,交替工作,具有 高转换效率,副边绕组接成全波整流形式.推挽式电 路用的开关器件少,双端工作的变压器的体积比较小, 可提高占空比,增大输出功率.DC/IX;变换电路原理 如图3所示. 2006年3月25日第23卷第2期 通谴电潦强】-: TelecomPowerFechnologiesMar.25,2006,Vo1.23No.2 - 上ClB] T.… c2'... 申RC3=2 D4 - rl l , 图3tm/uc变换电路原理图 2.1.1推挽变压器的设计 推挽变压器是开关型功率变换器中的关键部件, 其作用为磁能转换,电压变换和绝缘隔离.它要求磁 性材料在工作频率下功耗尽可能小,此外,还要求磁性 材料饱和磁感应强度高,温度稳定性好.双极性开关 电源变压器要求磁性材料具有高的动态磁导率,较低 的高频损耗.变压器的设计结合DC/DC变换电路的 拓扑形式,开关管的导通压降等进行设计. 变压器的工作条件为:原边单绕组输入电压幅值 【,.为24V,副边绕组电压有效值UD2为220V,变压 器输出功率P,为3?W,变压器效率田为95;环境 温度rz为20?,变压器温升?r为5()?,变压器工作 的开关频率80kHz.变压器磁心材料为国产R2KD 型,磁心规格为EI一33,根据变压器手册,查得磁心结 构常数Y=3361.412CN5,磁心有效截面积A=1.18 mm2 ,最大工作磁感应强度B...=0.141T. 由此可计算出原边单绕组匝数: NI~ H plu H 103.6,取N14匝. 次级绕组匝数: N2=N1=36.7,取37匝. Upl 2.1.2PwM波形产生电路 PWM驱动脉冲由芯片KA7500B产生,它足一种 电压型开关电源集成控制器,内置了线性锯齿波振荡 器,振荡频率可通过外部电阻R和外部电容C进行调 节.晶振频率可由公式估算如下: fosc? 输出脉冲的宽度是通过电容c上的正极性锯齿 波电压与另外两个控制信号进行比较来实现.一路送 至死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端. 内部的功率输出管受控于或非门.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 压大于控制信号期间才会被选通. 2.1.3KA7500B的引脚及PwM产生电路: 如图4所示,调制波频率由C,R确定,_厂?80 kHz.输出脉宽调制信号由引脚9,1()给}H,送出到由 图3所示的Ql,Q2. ? 14? 图4N;/DC变换PWM波形产生电路 2.2DC/AC变换 BC/AC变换采用单相输出,全桥逆变形式,如图5 所示,为减小逆变电源的体积,降低成本,输出使用工频 I.C滤波.由4个IRF740构成桥式逆变电路,II40 单管最高耐压400V,电流10A,功耗125W,利用半桥 驱动器IR2110提供驱动信号,其输入波形由I500B 提供,同理可调节该KA7500B的输出驱动波形的D< 5(),保证逆变的驱动方波有共同的死区时间. 几一连》QQ49. 一一 扑 逅j;Q 图5DC/AC变换电路原理图(U.=UI?310V) 为了减少输出谐波,逆变器DC/AC部分采用双 极性调制,即逆变桥的对管是高频互补导通和关断的. 2.2.1PWM波形产生电路 如图6所示,全桥逆变电路中,晶振频率可调,通 过调节R来实现,可以通过改变晶振频率调节PWM 波形占空比,使得输出电压达到要求的幅值. 图6DC/AC变换PWM波形产生电路 2.2.2全桥逆变电路功率开关管驱动电路 IR2110是一种双通道,栅极驱动,高压高速功率 器件的单片式集成驱动模块,在芯片中采用了高度集 成的电平转换技术,大大简化了逻辑电路对功率器件 匝缱电潦梭】|: 2006年3月25日第23卷第2期 袁佑新等:基于PWM控制器KA75()()B的 逆变电源设计 TelecomPowerTechnologies Mar.25,2006,Vo1.23No.2 的控制要求,同时提高了驱动电路的可靠性.尤其是 管采用外部自举电容上电,使得驱动电源数目较其 他IC驱动大大减少. IR2110采用CMOS工艺制作,逻辑电源电压范 同为5,2()V,适应TTL或CMOS逻辑信号输入,具 有独立的高端和低端2个输出通道.由于逻辑信号电 平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考 地(Vss)与功率电路参考地(COM)之间有一5V和 +5V的偏移量,并且能屏蔽小于50ns的脉冲,这样 有较理想的抗噪声效果.采用CMOS施密特触发输 入,以提高抗十扰能力.本设计巾全桥逆变电路的功 率开关管的驱动电路如图7所示. HOHOr D一66一一 , R21D8rrVB10OUTC10VB 32D.+HINHIN上D2L 2二=12OUTD12 . LINLIN C9.5VSVDD9—9- VDDVS Dl0311113 一 lDI6 iN'-VCCSD —— SDVCCi+一一—'^ ?一r ;, I3Cl113Ir }l1rR?Cln2C OMVSSVSSCOM2lc1R23{' 5里.11一.2I-广 l 6.2ILOLOI.胡_一 图7全桥逆变电路功率开关管驱动电路 图7中,以半桥为例,为自举电容,VCC经D… 给充电.ClJ为1.0F和().1F电容并联.并联高 频小电容用来吸收高频毛刺干扰电压.IR2110的开 通与关断传输延迟时间基本匹配,开通传输延迟时间 比关断传输延迟时间长25ns,这保证了功率管T.和 在工作时不会发生同时导通,从而避免了直通故障 的发生.IRF740的栅源极的驱动电压为2()V,电路 中,D稳压二极管限制了所加栅极电压,另外电阻 RJRJ进行分压,同时也降低了栅极电压. 由于直流电源的电压应在2(),3()V之间,对于不 符合的电压源,通过将IR2110的引脚11即shutdown 置高电平,以达到欠压和过压保护的目的.过热采取 的是热敏电阻来感应环境温度,亦通过引脚11来达到 关断逆变器的目的. 3结束语 动Q 动Q6 该逆变电源巳设计样机,经过长时间运行,具有 高可靠性能.该 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 可用于备用电源设计,亦可 用于车载电源.由于其具有体积小,重量轻,效率高, 易操作等优点,在实际中得到了较好的应用. 参考文献: [1]张占松,蔡宣i.歼关电源的原理与设计[M].北京:电 子lT业出版社,2001. [2]电子变压器专业委员会.电子变压器手册[M].辽宁科 技出版神,200(). E3]楚斌.IR2110功率驱动集成芯片应用[J].电子_T程 师.2004.10. !,,,,一,!一,!/l-,|,!,,I/;1/-,,.,!,.,.一.,,-,,!,',-,.,,一.,一.,\I,/,一一_-,_-\!,7!, (上接第12页) 5结论 本文提出的非线性载波控制PFC理论是一种简 单,新颖的单级PFC电路.它不再需要输入电压,电J 流检测,也避免了使用复杂的乘法器电路和电流误差 放大器.通过非线性载波U与开关管,二极管或电 感电流检测波形做比较获得PWM波形,实现了输入 电流跟随输入电压变化,获得了高功率因数.该种理 论只需要根据不同拓扑计算出不同的载波方程便可应 用于Boost,Flyback,Cuk,Sepic等变换器.仿真电路 波形证明了该种理论的正确性,并取得了理想的功率r4] 因数校正效果. 参考文献:[5] [1]SimoneBuso,GiorgioSpiazzi.SimplifedControlTech— niqueforHigh—.Power-FactorFlybackCukandSepicRec—— tifiersOperatinginCCM[C].IEEETrans.PowerElec tron.,2()()(),(36):5. ZherenLai,KeyueMaSmedley.AFamilyof{%ntinu— OUS——Conduction-.ModePower-Factor-CorrectionControl—. 1ersBasedontheGenera1Pulse-WidthModulatorICf. IEEETrans.PowerElectron.,1998,(13):3. ReganZane,DraganMaksimovie.NonlinearCarrierCon— trolforHigh—PowerFactorRectifiersBasedonUPDown SwitchingConverters[c].IEEETrans.PowerElec— tron.,1998,(13):2. YaopingI.iu,KeyueSmedley.ControlofADualBoost PowerFactorCorrectorforHighPowerApplications l(:1.1EEE2003,2003,2929—2932. MartyBrown.P()WERSUPPIYCOOKB00KrZ]. 2()()1.