12V到230V電源逆變器設(shè)計(jì)

在野外，汽車(chē)中途故障修理，鄉(xiāng)下野餐和娛樂(lè)活動(dòng)，以及目前有地區(qū)的拉閘限電，沒(méi)有市電供電，人們會(huì)感受到十分不便。在有些情況下，只能拉長(zhǎng)電纜線把市電引向遠(yuǎn)方，但存在危險(xiǎn)，或者不可能，或者不實(shí)際。在這些場(chǎng)合需要的是要有一只電源逆變器，能將12V汽車(chē)電池轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/230V">230V的交流市電。

便攜式市電的簡(jiǎn)單想法最早由Aixcom公司一名學(xué)員提出的，一般它包括高技術(shù)功率逆變器和特殊的大電流電源。這位叫Dirk的學(xué)員經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，制作了一部電源逆變器用于模型飛機(jī)俱樂(lè)部。在他熱情的試制過(guò)程中，遇到需要一只特殊集成電路的問(wèn)題，這電路就是該項(xiàng)目的核心。當(dāng)他最終得到這只捉摸不定的芯片時(shí)，價(jià)格驚人，在接通后整個(gè)電路產(chǎn)生很強(qiáng)的啪啦噪聲，損壞了許多元件。

公司經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，其結(jié)果如下：電源逆變器不僅能為幾乎所有的Aixcom學(xué)員成功地仿制，而且為圣誕節(jié)及其它紀(jì)念日提供了禮品，在野外活動(dòng)中，有足夠的供電而且持續(xù)時(shí)間不短，還發(fā)出強(qiáng)烈的音樂(lè)氣勢(shì)。Dirk在他的模型航空俱樂(lè)部里還開(kāi)發(fā)和制作了1千瓦的增強(qiáng)型逆變器，盡管在不良條件下，它還良好地工作了一年以上。

簡(jiǎn)化的考慮

似乎有疑義的是，在制作逆變器的道路上，本電路的方法最簡(jiǎn)單。在設(shè)計(jì)方面，省略可以去掉的任何電路，剩下就是100%的骨干電路。例如，沒(méi)有電壓穩(wěn)壓部分，電池電壓的降低也引起交流輸出電壓的降低。然而因?yàn)榇蠖鄶?shù)用市電供電設(shè)備可連續(xù)地較好地工作在交流電壓變化在±10%～15%范圍內(nèi)，可移動(dòng)的逆變器也應(yīng)如此。Aixcom公司舍棄性能的完善設(shè)計(jì)，而著重簡(jiǎn)化設(shè)備，降低元件成本和確保使用中的可靠性。盡管如此，仍有230V交流輸出的短路和低壓保護(hù)，在電池電壓降低到不再啟動(dòng)汽車(chē)的電平之前切斷逆變器。這足夠簡(jiǎn)單的電路，使初學(xué)者成功地仿制，也提供實(shí)用的230VAC電源。

脈沖寬度調(diào)制

本電路的核心部分是SG3526低價(jià)開(kāi)關(guān)型調(diào)壓器，它由幾家廠商供應(yīng)，元件標(biāo)號(hào)為XX3526，XX是由廠家標(biāo)定的字母組合。3526支持所有知名的開(kāi)關(guān)型PSU(PowerSupplyUnit)電源設(shè)備。

電源逆變器的基本工作原理示于圖1。SG3526交替地轉(zhuǎn)換通過(guò)電源變壓器12V繞組的電流方向，兩繞組中心端子連在一起接向電池正極（+12）。在每次開(kāi)關(guān)動(dòng)作下，改變一次電流方向，從而改變變壓器鐵芯的磁場(chǎng)方向。結(jié)果就在變壓器230V一邊產(chǎn)生方波（近似）交流電壓。

實(shí)際中，開(kāi)關(guān)是用兩只FET管互補(bǔ)推挽電路構(gòu)成的。FET管的源極通過(guò)很小電阻接地（見(jiàn)圖3）。

SG3526的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。輸入電壓+Vin可在7～35V之間，用于建立5V的參考電壓VREF。在輸入電壓低于7V時(shí)，電壓保護(hù)就切斷驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)+VC連線分別供電。由電阻RT和電容CT（見(jiàn)圖3）決定頻率，在此情況下頻率為50Hz。RD上的電阻在驅(qū)動(dòng)器輸出A和輸出B之間引起一個(gè)固定靜態(tài)時(shí)間。這樣做是為了消除當(dāng)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器（因?yàn)槭莾芍还β蔉ET）同時(shí)導(dǎo)通所產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

CSOFTSTART腳（CSS、④腳）上的電容在電源電壓開(kāi)關(guān)接通或復(fù)位之后容許輸出的脈沖占空（on/off）比緩慢上升至48%。“Amp”電壓調(diào)節(jié)器在本制作中不使用，在另外一種情況，參考電壓作為控制量時(shí)，它起著阻抗轉(zhuǎn)換作用。這就保證在啟動(dòng)之后輸出供給全占空比。

在+CS和-CS之間電壓（換言之，R8上的壓降）超過(guò)100mV，用分流電阻R8構(gòu)成的限流器就觸發(fā)了斷路程序。然而把它接地，也可以采用外部斷路控制。因?yàn)樵谶@電路里斷路和復(fù)位腳（相應(yīng)為腳⑧和⑤）是連在一起的，在過(guò)載或外部斷開(kāi)后，用軟起動(dòng)再次啟動(dòng)調(diào)制器。

幾種設(shè)計(jì)意見(jiàn)

本制作的變壓器用的是環(huán)形的，有一個(gè)230V的初級(jí)繞組、兩個(gè)12V的次級(jí)繞組。在用110V、117V或127V市電電壓的國(guó)家的讀者當(dāng)然要選配一只200W的變壓器。若你很幸運(yùn)，從廢物箱中找到一只老式環(huán)形變壓器，改成兩只12V繞組并不困難。簡(jiǎn)單地，圍著鐵芯用絞合線繞10匝，再把初級(jí)連接到市電。測(cè)量跨在新繞繞組兩端的電壓，然后計(jì)算得到12V需要繞多少匝。輸出功率200W，平均電流大約為10A，這樣絞合線的橫截面（c.s.a.）應(yīng)選用1.5mm2或更大些。

重要的是兩只12V繞組的匝數(shù)要精確的相同。如果相差一匝，那么變壓器鐵芯就會(huì)飽和，在連接有12V電池時(shí)，引起調(diào)節(jié)器“徘徊”在斷路狀態(tài)。繞組的方向也同樣重要。在變壓器安裝前，把兩個(gè)12V繞組端子串聯(lián)起來(lái)，初級(jí)加上230VAC。測(cè)量跨接在次級(jí)的自由端的電壓應(yīng)是24V。

在電路中所用的FET應(yīng)能處理55V電壓、72A的電流，并且用12MΩ的RD-S(ON)來(lái)標(biāo)示。當(dāng)然，也可用另外型號(hào)的FET，確保它們能處理至少40V、40A，有RD-S(ON)不超過(guò)50MΩ。通常，功率FET也可以并聯(lián)，但要保證每一管有它自己的柵極電阻。如果你想要逆變器輸出功率大于200W，那么可用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在此種情況中，可適配一個(gè)限流器，用小的分流電阻R8，或修改R16-R17分壓器數(shù)值就可以做到。

用大功率的逆變器給普通燈泡和鹵燈泡（強(qiáng)力照燈）供電，會(huì)產(chǎn)生麻煩。兩種燈泡都呈現(xiàn)很低的“冷”電阻，引起逆變器輸出電壓的降低，甚至驅(qū)使斷路不工作。結(jié)果鎖定在不足的電壓去加熱燈絲到它的正常溫度。幸運(yùn)的是，這里介紹的200W逆變器應(yīng)能供給高達(dá)150W的燈泡。應(yīng)注意，電容C6可以增加容量，但沒(méi)有限定范圍，因?yàn)殡娐房咕芏搪返哪芰κ亲銐虻?。用C5也可能顯著地增加軟起時(shí)間，或者完全不用它。那可能是最安全的解決辦法。

比較器IC1監(jiān)測(cè)電池電壓和環(huán)境溫度，將測(cè)量結(jié)果與從3526來(lái)的5V參考電壓相比較。存在誤差的情況，兩個(gè)開(kāi)路集電極輸出下拉斷路控制輸入（⑧腳）到地電位。用PTC電阻去確定關(guān)斷溫度。根據(jù)電路的精確類(lèi)型，R6大小要做略微變更。早期Aixcom公司逆變器樣機(jī)采用D901-D60-A40（斷路溫度為60°C）。也可用60°C到80°C的溫度開(kāi)關(guān)，或者90°C的溫度熔斷絲。雖然后者很便宜，但熔斷時(shí)需要代換。

若采用足夠大的散熱器，用簡(jiǎn)單的線連接就可以，而不用PTC電阻。電壓監(jiān)測(cè)器在大約12V關(guān)斷，改變R1和R5也可以適應(yīng)在另外電平。在比較器中，R2和R4決定延時(shí)的大小，這延時(shí)為防止電源逆變器在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)接通。在開(kāi)關(guān)接通后，參考電壓緩慢地上升，其速度取決于C2充電時(shí)間，因而監(jiān)測(cè)器經(jīng)過(guò)幾秒鐘后才被激發(fā)。

汽車(chē)電池能供給危險(xiǎn)的大電流。防止逆變器著火燃燒，必須用25A到35A的汽車(chē)熔斷絲加以保護(hù)。230VAC輸出電壓，即使由電池產(chǎn)生的，也是很危險(xiǎn)的。

結(jié)構(gòu)

印刷電路板設(shè)計(jì)表示在圖4。選用單面印板，盡管其有很大的接地面積和寬的銅箔條，但要流過(guò)變壓器的大電流，必須用搪錫方法加厚。建議從安裝AMP（fast-on）插頭（片型端頭）開(kāi)始，因?yàn)樗鼈冃枰艽罅獠拍懿迦腚娐钒濉２灰浄至麟娮璧倪B線。R8應(yīng)安裝印板表面，略微向上點(diǎn)，以有助于盡可能保持冷卻。R8也可用5W的電阻代替。要保證所有極性元器件（晶體管、電解電容，二極管和集成電路）的正確安裝。晶體管裝在散熱器上，必須采用絕緣墊片。

加電調(diào)試

在進(jìn)行本項(xiàng)制作中只需要一塊萬(wàn)用表。先從不連接變壓器的逆變器開(kāi)始。把它連向試驗(yàn)臺(tái)上的電源，調(diào)試兩個(gè)保護(hù)電路：調(diào)節(jié)輸入電壓調(diào)試電壓保護(hù)電路，借助電烙鐵調(diào)試溫度保護(hù)電路，視需要，還要用電位器及其它工具等。在任何情況下，輸出轉(zhuǎn)接到地，及在比較器正輸入端的電壓降到低于負(fù)輸入端的電壓之下時(shí)，LED點(diǎn)亮。如果保護(hù)電路呈現(xiàn)工作狀態(tài)，就測(cè)量?jī)蓚€(gè)柵極上的信號(hào)。如果有誤差出現(xiàn)，兩柵極讀數(shù)為0V。在沒(méi)有誤差時(shí)，示波器顯示兩個(gè)脈寬為10ms清晰的矩形波信號(hào)。用萬(wàn)用表做相同的測(cè)量，讀數(shù)為電源電壓的一半。

至此調(diào)試正確，才可能接上環(huán)形變壓器。這時(shí)，了解IC1從它的插座上移出發(fā)生什么，由于在這種情況，只能由限流器觸發(fā)斷路功能。如果一只普通100W燈泡在幾秒鐘內(nèi)不點(diǎn)亮，可測(cè)量斷路控制（3526的腳8或D2陽(yáng)極）上的電壓。如果測(cè)得小于5V，限流器和軟起動(dòng)時(shí)間就不正常。

一旦燈泡點(diǎn)亮，就小心地檢查逆變器是否短路。如果能用示波器，測(cè)量FET電流（跨在R8兩端電壓），用R16去增加電流限制點(diǎn)，在所容許的漏極電流之下提高20%。這當(dāng)然是在230VAC輸出短路做出的。

通常，在不接負(fù)載的情況，變壓器所產(chǎn)生的噪聲大于正常工作所期望的大小。這是因?yàn)榫匦尾◤?qiáng)烈地和快速地轉(zhuǎn)換著磁場(chǎng)。在無(wú)負(fù)載條件下，鐵芯飽和是由變壓器發(fā)出的雜亂響聲所表明。用示波器測(cè)量，電流不是依據(jù)鋸齒波形向上升，而是出現(xiàn)尖峰（上沖）。在這種情況變壓器12V繞組恰需要不多的匝數(shù)。如果有問(wèn)題，用另外的方法，就是選取較低R11值，提高一點(diǎn)振蕩頻率。最終頻率可取為55Hz，對(duì)于大多數(shù)負(fù)載這不成問(wèn)題，但是這電路不適合給鬧鐘供電。