摘要：針對(duì)汽車內(nèi)部直流電源不能用于交流用電器的問題，設(shè)計(jì)了一款基于脈寬調(diào)制芯片TL494的微型車載逆變器。該逆變器采用DC－DC變換和DC－AC逆變兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)完成直流升壓，后級(jí)選擇脈寬調(diào)制（PWM）控制方式，將直流電壓逆變?yōu)?20V／50Hｚ的方波交流電。其中，DC－DC變換器先通過推挽逆變電路和高頻變壓器將12V變換為22V交變方波，再經(jīng)快恢復(fù)二極管整流得到22V直流電。另外，該逆變器提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB接口，可以為具有USB接口的手機(jī)等設(shè)備充電。

　　汽車內(nèi)部的供電系統(tǒng)是由蓄電池提供的12V直流電，車內(nèi)的12V電源一般供點(diǎn)煙器使用。隨著現(xiàn)代汽車用電設(shè)備種類的增多，內(nèi)置的單一直流電源不能滿足如手提電腦、手機(jī)充電器、小型電視等所需220V交流電的需求。這就需要逆變器將12V直流電轉(zhuǎn)換為220V交流電，同時(shí)，以上商用或一般生活用的設(shè)備對(duì)交流電壓的波形要求不高，方波即可，不必需要正弦波［1－2］。基于這樣的應(yīng)用背景，本文設(shè)計(jì)制作了一款微型車載逆變器，體積小、重量輕，采用方波輸出，電壓有效值為220V，功率可達(dá)150W。

　　1逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變器系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)分兩級(jí)，第一級(jí)為DC－DC變換，第二級(jí)為DC－AC變換。同時(shí)利用MC34063構(gòu)成降壓式變換器提供5V直流輸出的標(biāo)準(zhǔn)USB接口。

　　圖1逆變器系統(tǒng)框圖

　　車載逆變電源需要采用開關(guān)變換器將蓄電池提供的12V直流電經(jīng)過DC－DC變換器提升為22V，后級(jí)再經(jīng)過DC－AC變換器轉(zhuǎn)換為工頻交流電。對(duì)于前級(jí)DC－DC變換器，又包括高頻DC－AC逆變部分、高頻變壓器和AC－DC整流部分。推挽逆變電路以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變壓器磁芯利用率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在低壓大電流輸入的中小功率場(chǎng)合；同時(shí)全橋整流電路也具有電壓利用率高、支持輸出功率較高等特點(diǎn)［3］；而全橋逆變電路開關(guān)管需要的電壓不高，輸出功率也比較大，變壓器利用率高，因此本文采用推挽逆變－高頻變壓－全橋整流－全橋逆變的結(jié)構(gòu)。

　　2硬件電路

　　2．1TL494簡(jiǎn)介

　　TL494是一種頻率固定的脈沖寬度控制器，片內(nèi)集成誤差放大器，死區(qū)時(shí)間可控制，輸出控制可用于推挽式和單端式。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，時(shí)序圖如圖3所示。

　　圖2TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　圖3TL494時(shí)序圖

　　2．2DC－DC變換電路

　　DC－DC變換電路如圖4所示。采用推挽式電路，高頻變壓器初級(jí)繞組中心抽頭接蓄電池12V，線圈兩端接開關(guān)管MOS1和MOS2，觸發(fā)信號(hào)由TL494提供，間隔180°。MOS1導(dǎo)通時(shí)，MOS2截止，蓄電池12V電壓加在初級(jí)繞組W12和MOS1構(gòu)成的回路上，繞組W12上感應(yīng)出的電壓與蓄電池電源電壓相等，同名端為正極性，次級(jí)繞組W2感應(yīng)電壓上正下負(fù)。MOS2導(dǎo)通時(shí)，MOS1截止，蓄電池12V電壓加在初級(jí)繞組W11和MOS2構(gòu)成的回路上，繞組W11同名端為負(fù)極性，次級(jí)繞組W2感應(yīng)電壓上負(fù)下正。這樣，次級(jí)繞組W2上得到了脈寬180°的交變方波電壓，再經(jīng)快恢復(fù)二極管D7～D10全波整流后得到22V直流電壓。

　　TL494的工作開關(guān)頻率由第6腳的電阻和第5腳的電容共同決定。較高的開關(guān)頻率可以減小高頻變壓器體積，降低成本，但太高的開關(guān)頻率會(huì)增加功率開關(guān)管的損耗，對(duì)散熱要求較高，開關(guān)頻率太低使得變壓器體積必須增大，導(dǎo)致整體成本增加?？紤]到本逆變器有小型風(fēng)扇散熱，為了減小體積，使之便于攜帶，本電路設(shè)定開關(guān)頻率為50ｋHｚ，從而使高頻變壓器可以做得很小。

　　2．3高頻變壓器繞組設(shè)計(jì)

　?。?）初級(jí)繞組匝數(shù)

　　設(shè)推挽電路的初級(jí)繞組匝數(shù)W11＝W12＝W1，由法拉第定律有：V1＝KfFW1BMAｅ（1）

　　式中：V1為輸入電壓；F為開關(guān)頻率；Kf為波形系數(shù)，方波為4．0，正弦波為4．4；BM為最大磁通密度；Aｅ為磁芯截面積。

　　由式（1）可得：W1＝VI／（KfFBMAｅ）。
（2）次級(jí)繞組匝數(shù)

　　W2＝（V2／V1）W1（2）

　　其中，V2為次級(jí)繞組電壓，這里為22V直流電壓和快恢復(fù)二極管壓降之和。

　　圖4DC－DC變換電路

　?。?）繞組導(dǎo)線計(jì)算

　　導(dǎo)線截面積為S1＝I1／J1，I1為各繞組電流有效值；J1為電流密度，一般為3～5A／MM2。導(dǎo)線直徑為D1＝槡4S1／π。

　　銅導(dǎo)體穿透深度：

　　式中：ρ為銅導(dǎo)體電阻率，25℃時(shí)ρ＝1．72×10－8Ω·M；R為銅導(dǎo)體電導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；F為工作頻率。

　　選取導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)使線徑小于2δ，并采用直徑小于2δ的多股導(dǎo)線并繞，或采用寬而薄的銅導(dǎo)線繞制，銅箔厚度小于［4］2δ。

　　2．4DC－AC變換電路

　　DC－AC變換電路如圖5所示。采用全橋逆變形式，由于不需要變壓器升高或降低電壓而是直接向負(fù)載供電，使得逆變器的體積可以減小。MOS4和MOS5為一組，MOS3和MOS6為一組，兩組功率管輪流導(dǎo)通。選擇脈寬調(diào)制（PWM）控制方式，具體塬理為：MOS5和MOS6輪流導(dǎo)通180°，MOS3和MOS4也是同樣的方式。

　　圖5DC－AC變換電路

　　下橋臂MOS4和MOS6的觸發(fā)信號(hào)要比上橋臂MOS4和MOS5早，這樣有利于上橋臂功率管的觸發(fā)。

　　橋式逆變電路的4個(gè)NMOS功率管選擇IR－FR320，該管最高耐壓400V，最大電流為3．1A，輸入阻抗極高，漏源電阻僅為1．8Ω。并且為了減小逆變器的體積，選擇了TO－252AA貼片式封裝。

　　2．5USB充電接口

　　該逆變器帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB接口，可提供5V直流電壓輸出。輸出電流可達(dá)500MA，能為具有USB接口的手機(jī)、MP3供電，具體電路如圖6所示。

　　圖6USB輸出電路

　　利用單片雙極性線性集成電路MC34063構(gòu)成開關(guān)式降壓變換器。MC34063能在3～40V的輸入電壓下工作，輸出開關(guān)電流可達(dá)1．5A，輸出電壓可調(diào)，工作振蕩頻率從100Hｚ～100ｋHｚ。

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　依據(jù)上述方案設(shè)計(jì)制作了逆變器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，體積為９MM×6MM×1．4MM。采用12V開關(guān)電源作為直流輸入，交流輸出端經(jīng)過220V到９V變壓器降壓后，利用優(yōu)利德UNI－TUT2025C數(shù)字示波器測(cè)量了輸出波形，如圖7所示。

　　圖7降壓后的輸出波形

　　4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一款基于TL494的微型車載逆變器，包括DC－DC直流升壓變換和DC－AC逆變兩級(jí)電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)體積小、重量輕、便于攜帶，適用于車載使用。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該逆變器輸出功率可達(dá)150W，工作穩(wěn)定可靠，可滿足一般交流設(shè)備的用電需求。同時(shí)，所配有的標(biāo)準(zhǔn)USB接口可為手機(jī)等具有USB接口的設(shè)備充電，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。