1kw純正弦波逆變電源設計[附圖]
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2012-2-25 15:16 上傳
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這個(gè)機器，BT是12V，也可以是24V，12V時(shí)的目標是800W，力爭1000W，整體結構是學(xué)習了鐘工的3000W機器，也是下面一個(gè)大散熱板，上面是一塊和散熱板一樣大小的功率主板，長(cháng)228MM，寬140MM。升壓部分的4個(gè)功率管，H橋的4個(gè)功率管及4個(gè)TO220封裝的快速二極管直接擰在散熱板;DC-DC升壓電路的驅動(dòng)板和SPWM的驅動(dòng)板直插在功率主板上。
因為電流較大，所以用了三對6平方的軟線(xiàn)直接焊在功率板上：
吸取了以前的教訓：以前因為PCB設計得不好，打了很多樣，花了很多冤枉錢(qián)，常常是PCB打樣回來(lái)了，裝了一片就發(fā)現了問(wèn)題，其它的板子就這樣廢棄了。所以這次畫(huà)PCB時(shí)，我充分考慮到板子的靈活性，盡可能一板多用，這樣可以省下不少錢(qián)，哈哈。
如上圖：在板子上預留了一個(gè)儲能電感的位置，一般情況用準開(kāi)環(huán)，不裝儲能電感，就直接搭通，如果要用閉環(huán)穩壓，就可以在這個(gè)位置裝一個(gè)EC35的電感。
上圖紅色的東西，是一個(gè)0.6W的取樣變壓器，如果用差分取樣，這個(gè)位置可以裝二個(gè)200K的降壓電阻，取樣變壓器的左邊，一個(gè)小變壓器樣子的是預留的電流互感器的位置，這次因為不用電流反饋，所以沒(méi)有裝互感器，PCB下面直接搭通。
上面是SPWM驅動(dòng)板的接口，4個(gè)圓孔下面是裝H橋的4個(gè)大功率管，那個(gè)白色的東西是0.1R電流取樣電阻。二個(gè)直徑40的鐵硅鋁磁繞的濾波電感，是用1.18的線(xiàn)每個(gè)繞90圈，電感量約1MH，磁環(huán)初始導磁率為90。
上圖是DC-DC升壓電路的驅動(dòng)板，用的是KA3525。這次共裝了二板這樣的板，一塊頻率是27K，用于普通變壓器驅動(dòng)，還有一塊是16K，想試試非晶磁環(huán)做變壓器效果。
這是SPWM驅動(dòng)板的PCB，本方案用的是張工提供的單片機SPWM芯片TDS2285，輸出部分還是用250光藕進(jìn)行驅動(dòng)，因為這樣比較可靠。也是為了可靠起見(jiàn)，這次二個(gè)上管沒(méi)有用自舉供電，而是老老實(shí)實(shí)地用了三組隔離電源對光藕進(jìn)行供電。因為上面的小變壓器在打樣，還沒(méi)有回來(lái)，所以這塊板子還沒(méi)有裝好。本方案中的SPWM驅動(dòng)也是靈活的，既可以用單片機，也可以用純硬件，只要驅動(dòng)板的接口設計得一致，都可以插到本方案的功率板上，甚至也可以做成方波逆變器。
這次DC-DC功率部分的大管子，沒(méi)有用2907，而是用了RU190N08，上圖中的電流應該是190A，錯打了180A。因為這管子比2907稍便宜點(diǎn)，所以我準備試一試。
H橋部分的大功率管，我有二種選擇，一種是常用的IRFP460，還有一種是IGBT管40N60，顯然這二種管子不是同一個(gè)檔次的，40N60要貴得多，但我的感覺(jué)，40N60的確要可靠得多，貴是有貴的道理，但壓降可能要稍大一點(diǎn)。
這是TO220封裝的快恢復二極管，15A 1200V，也是張工提供的，價(jià)格不貴。我覺(jué)得它安裝在散熱板上，散熱效果肯定比普通塑封管要強。
這次的變壓器用的是二個(gè)EC49磁芯繞制的，每個(gè)功率500W，余量應該比較大的，初級并聯(lián)，次級串聯(lián)。用二個(gè)變壓器的理由是：1，有利于功率的輸出，2.變比小了，可能頭痛的尖峰問(wèn)題會(huì )少一些。
對前級進(jìn)行上電，空載電流近1A，查到是變壓器的原因，后來(lái)?yè)Q了磁芯，空載降到360MA（每個(gè)變壓器180MH，基本可以接受），可見(jiàn)磁芯的重要性，而現在要買(mǎi)到幾付好的磁性實(shí)在太難了。所幸的是D極波形很好，這次的變壓器應該做得還可以了，參數是：初級3+3，用0.2*29的銅帶，次級44T，用0.74線(xiàn)二根。下一步準備為前級加載，因為一臺逆變器，能不能輸出預定的功率，前級質(zhì)量是決定因素。只因那個(gè)大功率的開(kāi)關(guān)電源還有一點(diǎn)小問(wèn)題要解決，所以，加載可能還要過(guò)幾天。
這照片上的穩壓電源上顯示電流為450MA，因為并不是完全空載，我在高壓處掛了一個(gè)LED，用150K2W電阻降壓，這個(gè)指示電路要消耗近1W功率，約增加90MA的電流。
對前級進(jìn)行加載實(shí)驗，前級為開(kāi)環(huán)，也沒(méi)有裝儲能電感，分二步：
第一步：加載約630W，負載是一個(gè)200R、1KW的大電阻，這時(shí)工作電流為54.5A。連續工作一小時(shí)，散熱板和190N08大功率管及變壓器只有微溫，D極波形還比較好，尖峰剛露，不明顯，這時(shí)母線(xiàn)高壓為356V。
第二步：進(jìn)一步加大負載，又掛上了二個(gè)串聯(lián)的200W燈泡，這時(shí)工作電流77.9A左右，此時(shí)，實(shí)際輸出功率在900W以上了，母線(xiàn)高壓降至347V，D極波形有一路能看到明顯的上沖尖峰。工作半小時(shí)，散熱板溫度為45度， 4個(gè)190N08管殼溫度：3個(gè)為46度，有一個(gè)為51度，變壓器也有點(diǎn)熱。但快速二極管一點(diǎn)也不熱。
如果要逆變輸出1000W，前級起碼要能輸出1100W左右，從今天情況來(lái)看，溫升好象快了些，溫度主要集中在大功率MOS管和變壓器。因為這樣的結構，換管子很麻煩，本來(lái)想把190N08換成2907，做一個(gè)對比實(shí)驗。變壓器熱，我還是認為磁芯質(zhì)量不過(guò)關(guān)，因為在900W時(shí)，每個(gè)變壓器單邊繞組的電流不到20A，我用的是0.2X29MM的銅帶，有5.8個(gè)平方MM，電流密度只有3A多一些，初級繞組是不應該發(fā)熱的;次級有0.74X2，900W時(shí)流過(guò)的電流不到3A，也不應該熱�？磥�(lái)磁芯實(shí)在太重要了。
明天準備用風(fēng)機對散熱板進(jìn)行主動(dòng)性散熱，加載到1050W以上。
繼續加大負載，再用二個(gè)150W燈泡串聯(lián)接上去，因為考慮到大電流時(shí)線(xiàn)路的壓降，把電源電壓調高了0.2V，為12.4V，但到線(xiàn)路板還是只有12.1V（我的電源線(xiàn)是用二根10平方并聯(lián)的）。開(kāi)機后，工作電流達到98.7A，母線(xiàn)電壓為345V，母線(xiàn)電流為3.151A，此時(shí)，實(shí)際輸出功率為1087W。D極波形上的尖峰有點(diǎn)加高，達到45Vpp（因為我在設計PCB時(shí)，沒(méi)有考慮用吸收回路，再加上尖峰也沒(méi)有達到管子的耐壓值，所以也就不去理它了）。此時(shí)，功耗達到了1194W，前級的實(shí)際效率只有91%了。變壓器溫升很明顯了，因為我在散熱板下面放了一個(gè)小風(fēng)扇，所以，管子的溫度一直在40度以下，我只讓它工作了約20分種。
小結：前級的實(shí)驗并沒(méi)有結束，我還想用納米晶磁環(huán)做一次實(shí)驗，但年內肯定是沒(méi)有時(shí)間了，過(guò)了年再試了�？磥�(lái)BT在12V時(shí)，要提高功率和效率，瓶頸主要是：1.變壓器，包括磁芯質(zhì)量，繞制數據及工藝等;2.大功率MOS管，內阻一定要小;3.布線(xiàn)及結構，我PCB反面大電流路徑都有15-20MM寬的銅箔，填錫達2MM，還加焊了幾根4平方的銅線(xiàn)，結構方面主要是散熱一定要順暢，加小風(fēng)扇是很好的辦法。
今天的工作本來(lái)想把RU190N08和2907做一個(gè)對比測試，測試這二種管子在不同輸出功率時(shí)的效率情況，于是，先調整了各種測試儀表，先把已經(jīng)裝在板子上的RU190N08做了測試，測試結果如下，看來(lái)黃工的這幾個(gè)管子還是算掙氣，一路測下來(lái)，效率情況良好。
接下來(lái)就是花了一個(gè)多小時(shí)換管子，裝上了4個(gè)全新的IRFP2907，本是興沖沖開(kāi)機，希望是一個(gè)很好的結果，但萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)有想到的是------失��！
在掛上1號負載時(shí)（二個(gè)150W燈泡串聯(lián)），工作電流達41.5A，輸入功率達523.3W，輸出功率為283.4W，效率僅為：54%。這可是做夢(mèng)都沒(méi)有想到的結果，2907管子很快發(fā)熱。
在百思不解的情況下，查看D極波形，居然出現了長(cháng)長(cháng)的尖峰：
一般情況下，出現這樣的波形，肯定是懷疑變壓器漏感太大，但我這二個(gè)變壓器在用RU190N08時(shí)，工作得很好，在掛1號負載時(shí)，根本看不到尖峰。
我再測G極波形，發(fā)現驅動(dòng)方波全部變成了梯形波，這才恍然大悟，原來(lái)是2907的驅動(dòng)功率不足所致�？磥�(lái)2907的結電容遠遠大于RU190N08，用3525直接推動(dòng)4個(gè)2907有點(diǎn)困難。為了證實(shí)我的想法，我把柵極電阻從原先的20R換成了10R，再開(kāi)機，這時(shí)，在同樣負載下，電流下降為28.3A（用RU190N08時(shí)只有21.9A），欠激是肯定的了，因為我的驅動(dòng)板上沒(méi)有裝圖騰柱輸出，現在只好等重新做了驅動(dòng)板再試了。
�。寗�(dòng)功率不足，D極會(huì )出現長(cháng)長(cháng)的尖峰，這可是第一次遇到，長(cháng)見(jiàn)識了�。。�
上圖是柵極波形，這時(shí)電阻已經(jīng)換成10R，在用20R時(shí)情況還要糟很多。
上圖是從3525的11、14腳上測到的波形，已經(jīng)有點(diǎn)變形。
畫(huà)了一塊帶圖騰柱輸出的DC-DC驅動(dòng)板
帶圖騰柱輸出的DC-DC驅動(dòng)板的PCB終于來(lái)了，今天裝了一塊進(jìn)行試機。
因為加了圖騰柱輸出，所以2907欠激的情況大為改善，但空載電流卻比用190N08時(shí)要大很多，不去管它了，繼續實(shí)驗下去。
下面的表格是2907和190N80的工作情況對比
下圖是用2907時(shí)的空載波形：
下圖是用2907時(shí)，前級輸出1100W時(shí)的波形照片：
從上圖可以看出，空載和滿(mǎn)載時(shí)的波形差不多。
來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
