沈承舒，楊 梅，胡海星

（貴陽學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

我國汽車普及程度日漸增高［1］，車載用電器的使用也日趨普遍，目前家用電器多數(shù)都以220 V/50 Hz 交流供電為主，但汽車蓄電池輸出為12 V或24 V 直流電。車載逆變電源則成為車載系統(tǒng)必不可少的設(shè)備［2］。車載逆變電源的設(shè)計(jì)一般有兩種方式，即半橋拓?fù)銬C/DC 升壓后逆變輸出和全橋逆變后工頻變壓器升壓輸出。這兩種方式都能實(shí)現(xiàn)將車載電瓶的12 V 或24 V 直流逆變成家用電器使用的高壓交流，但兩個系統(tǒng)都存在一定缺點(diǎn)。本文將對兩種方式設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測試，得到實(shí)際使用時電路參數(shù)的變化，便于后期設(shè)計(jì)參考及電路改進(jìn)。

1 基于KA7500B 車載逆變電源硬件原理

基于KA7500B 設(shè)計(jì)的車載逆變電源一般由KA7500B 芯片輸出可調(diào)制的PWM 信號驅(qū)動后級電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，后級電路包含工頻變壓器、半橋拓?fù)銬C/DC、Buck-Boost 電路和全橋逆變電路等。整個系統(tǒng)電路一般分為：半橋拓?fù)銬C/DC升壓后逆變輸出和全橋逆變后工頻變壓器升壓輸出。

1.1 半橋拓?fù)渖龎?逆變原理

半橋拓?fù)銬C-DC 升壓常采用帶高頻變壓器的推挽電路［3］，電路邏輯原理圖如圖1 所示。

圖1 半橋拓?fù)渖龎?逆變電路邏輯原理圖

該系統(tǒng)中驅(qū)動半橋MOSFET 的PWM 信號由KA7500B 產(chǎn)生，電路前后級實(shí)現(xiàn)電氣隔離，經(jīng)高頻變壓器升壓整流后，最終由逆變電路模塊逆變后輸出。整個電路較為簡單，元器件數(shù)量較少，從經(jīng)濟(jì)角度考慮實(shí)為高效，但從電路實(shí)際輸出的電壓、電流和功率因素上看卻達(dá)不到應(yīng)用需求。

1.2 全橋逆變-升壓輸出原理

全橋逆變一般采用全橋電路和正激變換電路組合而成，電路邏輯原理圖如圖2 所示。

圖2 全橋逆變-升壓電路邏輯原理圖

全橋逆變電路核心由4 個獨(dú)立的MOSFET組成，可以由SPWM 信號驅(qū)動實(shí)現(xiàn)逆變，典型應(yīng)用電路如EG8010 逆變電路。也可由KA7500B 產(chǎn)生的PWM 驅(qū)動實(shí)現(xiàn)逆變，如圖2 所示，將汽車電瓶的直流進(jìn)行逆變后，AC 電壓并不能達(dá)到市電用電器的使用標(biāo)準(zhǔn)，還必須經(jīng)過升壓處理，為使輸出功率達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，后級電路一般采用推挽變壓器組成的半橋正激電路實(shí)現(xiàn)升壓。推挽變壓器是開關(guān)型功率變換器中的關(guān)鍵部件，其作用為磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離［4］。經(jīng)工頻變壓器的升壓處理后，最終實(shí)現(xiàn)高壓AC 輸出。

2 車載逆變電源的測試

選取市面上應(yīng)用較為廣泛的符合上述兩種系統(tǒng)組成原理的實(shí)際車載逆變電源進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中對驅(qū)動信號的占空比、頻率、電壓伏值，對系統(tǒng)的最終輸出等進(jìn)行了測試。

2.1 半橋拓?fù)渖龎?逆變應(yīng)用電路測試

系統(tǒng)電路邏輯原理圖如圖1 所示，圖中A1和A2 點(diǎn)分別為半橋2 個MOSFET 的G 極，A1、A2 點(diǎn)實(shí)測輸出波形如圖3 所示。

圖3 半橋拓?fù)渖龎?逆變電路中A1、A2 點(diǎn)波形圖

因MOS 管為交替開關(guān)工作狀態(tài)，故該信號為互補(bǔ)輸出的兩個波形，如圖3 所示，A1 點(diǎn)測試數(shù)據(jù)為：Vpp=10V，頻率f=44.96KHz。A2 點(diǎn)測試數(shù)據(jù)為：Vpp=10.013V，頻率f=44.96KHz。驅(qū)動信號經(jīng)MOS 管轉(zhuǎn)換后到達(dá)高頻變壓器，高頻變壓器兩端波形實(shí)測如圖4 所示。

圖4 半橋拓?fù)渖龎焊哳l變壓器驅(qū)動信號波形圖

可見，驅(qū)動信號依然為互補(bǔ)關(guān)系，信號頻率為f=44.96KHz，電壓幅值為Vpp=8.22V，稍有降低。電能經(jīng)過逆變模塊轉(zhuǎn)換后輸出到最終輸出端，實(shí)測波形如圖5 所示。

圖5 半橋拓?fù)渖龎?逆變電路最終輸出波形圖

該波形實(shí)測數(shù)據(jù)為：頻率f=44.973KHz，電壓幅值Vpp=119.5V，正占空比為49.52%。若為該系統(tǒng)接入不同負(fù)載，實(shí)測結(jié)果為：（1）對于寬電壓低功率用電器，用電器能正常工作。（2）對于電壓要求超過AC120 V 的用電器，則用電器不能正常工作，逆變電源工作不正常。

2.2 全橋逆變-升壓應(yīng)用電路測試

系統(tǒng)電路邏輯原理圖如圖2 所示，該系統(tǒng)中存在兩片KA7500B 芯片，第1 片負(fù)責(zé)驅(qū)動全橋逆變電路，實(shí)測PWM1～4 波形如圖6 所示。

圖6 全橋逆變逆變橋PWM 驅(qū)動實(shí)測波形圖

逆變?nèi)珮蛑械? 個MOS 管呈對向交替打開，故波形也為互補(bǔ)關(guān)系，PWM1、PWM4 波形實(shí)測數(shù)據(jù)為：頻率f=50.412Hz，振幅Vpp=10.316V，正占空比為62.225%。PWM2、PWM3 波形實(shí)測數(shù)據(jù)為：頻率f=50.409Hz，振幅Vpp=10.387V，正占空比為37.775%。

如圖2 所示，第2 片KA7500B 芯片產(chǎn)生正激變換的驅(qū)動信號，PWM5、PWM6 實(shí)測波形如圖7所示。

圖7 全橋逆變-升壓正激變換驅(qū)動信號波形圖

正激變換中2 個MOS 管成交替打開狀態(tài)，故波形互補(bǔ)，PWM5 實(shí)測數(shù)據(jù)為：頻率f=55.13KHz，振幅Vpp=10.593V，正占空比為44.795%。PWM6實(shí)測數(shù)據(jù)為：頻率f=55.25KHz，振幅Vpp=10.593V，正占空比為44.791%。經(jīng)正激變換后最終系統(tǒng)輸出空載時實(shí)測波形如圖8 所示。

圖8 全橋逆變-升壓應(yīng)用電路空載時最終輸出波形圖

最終輸出實(shí)測數(shù)據(jù)為：頻率f=50.55Hz，振幅Vpp=260.87V，正占空比為30.692%。在該系統(tǒng)中接入不同負(fù)載，系統(tǒng)輸出及負(fù)載工作狀態(tài)如表1 所示。

表1 不同負(fù)載下全橋逆變-升壓電路工作狀態(tài)數(shù)據(jù)表

可見，當(dāng)接入60W 負(fù)載時，電源已開始出現(xiàn)過載情況，輕過載時電源輸出波形如圖9 所示。

圖9 全橋逆變-升壓應(yīng)用電路輕過載時輸出波形圖

當(dāng)電源重過載時，已不能正常工作，此時輸出已紊亂，波形如圖10 所示。

圖10 全橋逆變-升壓應(yīng)用電路重過載時輸出波形圖

3 系統(tǒng)分析

3.1 半橋拓?fù)渖龎?逆變應(yīng)用電路測試的分析

加入使系統(tǒng)能正常工作的不同負(fù)載，半橋拓?fù)渖龎?逆變應(yīng)用電路的轉(zhuǎn)換效率如表2 所示。

表2 半橋拓?fù)渖龎?逆變應(yīng)用電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)表

在該表中計(jì)算輸出功率時，忽略了功率因素的影響，記功率因素為100%。根據(jù)輸入與輸出對比，轉(zhuǎn)換效率為80%～85%，這在同類電源中轉(zhuǎn)換效率并不高。在對系統(tǒng)的測試中，系統(tǒng)輸出AC電壓的頻率為44.96 KHz，電壓幅值為119.50 V，輸出波形并不是正弦波，在轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算中若考慮功率因素，則轉(zhuǎn)換效率會更低。所以使用此方案設(shè)計(jì)的車載逆變電源幾乎不能滿足家用電器的使用。

3.2 全橋逆變-升壓應(yīng)用電路測試的分析

同理，在該系統(tǒng)中加入使系統(tǒng)能正常工作的不同負(fù)載，全橋逆變-升壓應(yīng)用電路的轉(zhuǎn)換效率如表3 所示。

表3 全橋逆變-升壓應(yīng)用電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)表

該系統(tǒng)計(jì)算輸出功率時，忽略功率因素的影響，同理，記功率因素為100%。該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率稍高，為83%～90%，在同類電源中轉(zhuǎn)換效率適中，在接入負(fù)載時輸出電壓為241.5 V，滿足家用電器的用電電壓需求，但根據(jù)圖8 所示的測試結(jié)果得出，該系統(tǒng)輸出交流電也非正弦波，且輸出電壓偏高，對比標(biāo)準(zhǔn)的220 V 電壓值，誤差較大，若遇用電電壓需求較為苛刻的用電器，該電源則不能滿足需求。

4 結(jié)論

對基于KA7500B 設(shè)計(jì)的車載逆變電源進(jìn)行了測試分析，首先給出了兩種設(shè)計(jì)方案，根據(jù)兩種設(shè)計(jì)方案給出了邏輯原理圖，在原理圖中給出重要的測試點(diǎn)，并對兩種設(shè)計(jì)方案的輸入電能參數(shù)和輸出電能參數(shù)進(jìn)行測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到兩種方案所設(shè)計(jì)的車載逆變電源的缺點(diǎn)，為車載逆變電源的設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)支持，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作奠定一定的基礎(chǔ)。