解析600W正弦波逆变器制作过程

 

　　逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。正弦波逆变器原理图，有方波的输出和正弦波输出的区别。方波输出的逆变器效率高，但对于都是为正弦波电源设计的电器来说，使用总是不放心，虽然可以试用于许多电器，但部分电器就不适用，或用起来电器的指标会变化。正弦波输出的逆变器就没有这方面的缺点，却存在效率低的缺点。为此设计了一款高效率正弦波逆变器。正弦波逆变器广泛运用于各类：通讯、工业设备、卫星通信设备、军用车载、医疗救护车、警车、船舶、太阳能及风能发电领域。下面介绍一个600W的正弦波逆变器。

　　该机具有以下特点：

　　1.SPWM的驱动采用了单片机SPWM芯片，TDS2285,所以，SPWM驱动部分相对纯硬件来讲，比较简单，制作完成后要调试的东西很少，所以，比较容易成功。

　　2.所有的PCB全部采用了单面板，便于大家制作，因为，很多爱好者都会自已做单面的PCB,有的用感光法，有点用热转印法，等等，这样，就不用麻烦PCB厂家了，自已在家里就可以做出来，当然，主要的目的是省钱，现在的PCB厂家太牛了，有点若不起（我是万不得已才去找PCB厂家的）。

　　3.该机所有的元件及材料都可以在淘宝网上买到，有了网购真的很方便，快递送到家，你要什么有什么。

　　如果PCB没有做错，如果元器件没有问题，如果你对逆变器有一定的基础，我保证你制作成功，当然，里面有很多东西要自已动手做的，可以尽享自已动手的乐趣。

　　4.功率只有600W,一般说来，功率小点容易成功，既可以做实验也有一定的实用性。

　　下面是样机的照片和工作波形：

　　一、电路原理：

　　该逆变器分为四大部分，每一部分做一块PCB板。分别是"功率主板";"SPWM驱动板";"DC-DC驱动板";"保护板".

　　1.功率主板：

　　功率主板包括了DC-DC推挽升压和H桥逆变两大部分。该机的BT电压为12V,满功率时，前级工作电流可以达到55A以上，DC-DC升压部分用了一对190N08,这种247封装的牛管，只要散热做到位，一对就可以输出600W,也可以用IRFP2907Z,输出能力差不多，价格也差不多。主变压器用了EE55的磁芯，其实，就600W而言，用EE42也足够了，我是为了绕制方便，加上EE55是现存有的，就用了EE55.关于主变压器的绕制，下面再详细介绍。前级推挽部分的供电采用对称平衡方式，这样做有二个好处，一是可以保证大电流时的二个功率管工作状态的对称性，保证不会出现单边发热现象；二是可以减少PCB反面堆锡层的电流密度，当然，也可以大大减小因为电流不平衡引起的干扰。高压整流快速二极管，用的是TO220封装的RHRP8120,这种管子可靠性很好，我用的是二手管，才1元钱一个。高压滤波电容是470uf/450V的，在可能的情况下，尽可能用的容量大一些，对改善高压部分的负载特性和减少干扰都有好处。H桥部分用的是4个IRFP460,耐压500V,电流20A,也可以用性能差不多的管子代替，用内阻小的管子可以提高整机的逆变效率。H桥部分的电路采用的常规电路。

　　下面是功率主板的PCB截图，长宽为200X150MM,因为，这部分的电路比较简单，所以，我没有画原理图，是直接画了PCB图的。该板布板时，曾得到好友的提示帮助，特在此表示感谢。

 

　　2. SPWM驱动板

　　SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

　　和我的1KW机器一样，SPWM的部分采用了张工的TDS2285单片机芯片。关于该芯片的详细介绍，这里不详说了。U3,U4组成时序和死区电路，末级输出用了4个250光藕，H桥的二个上管用了自举式供电方式，这样做的目的是简化电路，可以不用隔离电源。

　　因为BT电压会在10-15V之间变化，为了可靠驱动H桥，光藕250的图腾输出级工作电压一定要在12-15之间，不能低于12V,否则可能使H桥功率管触发失败。所以，这里用了一个MC34063（U9），把BT电压升至15V（该升压电路由钟工提供），实验证明，这方式十分有效。

　　整个SPWM驱动板，通过J1,J2插口和功率板接通，各插针说明如下：

　　J2:2P-4P; 7P-9P; 13P-15P; 18P-20P 分别为H桥4个功率管的驱动引脚23P-24P为交流稳压取样电压的输入端。

　　J1:1P为2285输出至前级3525第10P的保护信号连接端，一旦保护电路启动，2285的12P输出高电平，通过该接口插针到前级3525的10P,关闭前级输出。

　　6P-7P-8P为地GND.

　　9P接保护电路的输出端，用于关闭后级SPWM输出。

　　10P-11P接BT电源。

　　下面是SPWM驱动板的电原理图和PCB截图：

 

　　3.DC-DC驱动板

　　DC/DC是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能（20~30）%.直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源）， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用

　　DC-DC升压驱动板，采用的是很常见的线路，用一片SG3525实现PWM的输出，后级用二组图腾输出，经实验，如果用一对190N08,图腾部分可以省略，直接用3525驱动就够了。因为这DC-DC驱动板，和我的1000W机上的接口是通用的，所以有双组输出，该机上只用了一组。板上有二个小按钮开关，S1,S2,S1是开机的，S2是关机的，可以控制逆变器的启动和停机。

　　这驱动板，是用J3,J4接口和功率板相连的，其中J3的第1P为限压反馈输入端。

　　下面是DC-DC升压驱动电路图和PCB截图：

　　4.保护板

　　保护板是超小型的PCB面积，使BP20200T可以完美的集成到空间有限的电池包中去。加上电路的高可靠性设计，完全可以取代目前电池包中常用的热累计断开式自恢复保险（POLYSWITCH）。 并且由于短路保护是瞬间完成，不存在使用POLYSWITCH时可能碰到的烧坏连线的问题。

　　我这次没有做保护板，有如下原因：首先是没有保护板该机也可以工作，加上这段时间比较忙，所以，保护板就拉下了；其次是：我这次公布的功率主板，是后来经修正过的，保护板上的接口也做了改动，而我的样机用的是没有修正过的PCB板，即便是做了保护板，也插不上去。我倒是希望有朋友如果用我的PCB文档去厂家打样，不要忘记，多给我打一套，寄给我，我就可以根据新的功率主板来画保护板了。下面是保护部分的电路图，是我学习了钟工公布的3000W上用的保护电路变化而来的。

　　二、主要部件的制作和采购

　　1.SPWM主芯片

　　2.主变压器

　　变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）；自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等，变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯，XED型，ED型CD型。变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、 全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、 单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器 试验变压器 转角变压器 大电流变压器 励磁变压器 .

　　主变压器是制作逆变器成功与否的关健，本机主变用的磁芯为EE55,材质PC40,我在杭州电子市场买到了一种质量很好的骨架，立式的，脚位11加11,脚粗1.2MM.绕制数据：初级2T加 2T,用10根0.93的线。初级导线总面积为6.8平方MM,次级为0.93线一根，绕60T.

　　绕前准备：

　　先准备骨架，把骨架上22个引脚，剪去4个，下面红圈处就是表示已经剪去的脚。上面二个独立的脚是高压绕组用的，远离下面的脚有利于绝缘，中间及下面的脚是低压绕组用的，左边是一个绕组2圈，右边是另一个绕组2圈。

　　绕制步骤：

　　A），先绕二分之一的高压绕组（次级），先在骨架上用高温胶带粘一层，这样做是为了防止导线打滑，用一根0.93线绕一层，约30圈（注意的是，高压绕组的线头要做好绝缘，我是套进一小段热缩套管，用打火机烤一下，就紧紧包在线头上了），再用胶带固定住线头，不要让它散出来，并在高压绕组的外面用高温胶带包三层。

　　B），下面就可以绕低压绕组了（初级），低压绕组分成二层绕，也就是每一层是2加2,用5根线并绕，我画了一个图（见下面图），不知大伙能不能看清楚结构情况。

　　先用5根0.93线绕2圈（见图二中红线），中间留空隙，再在空隙处用另外5根线绕2圈（见图二中蓝线），每根线长约37CM.用同样的方法绕二层，层间包二层胶带，这样就相当于用了10根线并绕。绕完低压绕组，在绕组外用高温胶带包三层。绕低压绕组要注意的问题是：线头留在下面，即骨架引脚处，线尾留长一点，暂时留在骨架的上面（等绕完高压绕组后要向下折下来）。从（图一）可以看出，实际上，低压绕组的头和尾是有一段是重叠的，也就是不是2圈，而是约2.2圈，这样做可以大大减少漏感。

　　C），再继续绕高压绕组，绕完另外的30圈，要注意的是，这30图要和里面的30圈绕向相同，这点很关健。如果一层绕不下，就把剩下几圈再绕一层。

　　D），绕完高压绕组后，在外面用高温胶带包三层，就把低压绕组原先留在上面的线头折下来（见图三），准备焊在骨架的脚上。去漆可以用脱漆剂，用棉签沾一点脱漆剂，抹在线头上，过一会儿，漆就掉下来了，就可以焊了。

　　E），再后在整个绕组的外面包几层高温胶带，绕好的线包外观要饱满平整。

　　F），现在可以插磁芯了，插磁芯之前要对磁芯的对接面做清洁处理，我是用胶带粘几下，把磁芯对接面的粉末全清洁干净，插入磁芯，用胶带扎紧，有条件的话对磁芯对接处用胶水做固定。

　　我发现用这种方法绕制的变压器漏感比较小。以前用铜带绕制，漏感一般在0.8uH以上，现在可以做到0.4uH以下。我想原因是：因为铜带要焊引出线头，这样就留下了一个锡堆，再绕高压绕组时，中间就有一个空隙，导致耦合不紧。下图为测试漏感示意图。

　　如果有条件，一定要做一个耐压测试，任一个低压绕组对高压绕组的绝缘要在1500V以上，这样才可以放心使用。

　　3. AC输出滤波磁环

　　对于象我这样纯手工打造的爱好者来讲，这个磁环的绕制也是十分头痛的事。

　　磁环是采用直径40MM的铁硅铝磁环，用1.18的线，在上面穿绕90圈，线长约4.5米，如果用导磁率为125的磁环，电感量大约在1.5mH,用导磁度为90的磁环，电感量大约在1mH左右。我做过试验，用二个这样的磁环，每个电感量在0.7mH以上就可以正常工作了。绕制时分二层，层，45圈，因为磁环外圈和内圈的周长不同，所以层绕时，内圈的线要紧密排列，而外圈的线是每圈之间留有一个空隙的。绕第二层时，内圈是叠在层线上，外圈是嵌在层线的空隙中，这样绕出来的线圈才好看。当然，好象是否好看，也不影响使用。下面是我在淘宝上买过磁环的网店（无意为商家做广告，只是方便朋友们采购）。注意，绕这个磁环时，一定要戴手套，否则，导线会让你勒出血泡的。

　　4.散热风扇

　　本机前级功率管和H桥的功率管都用风扇散热（安装方法下面再详述），这是一种小型仪表风扇，比电脑上的CPU风扇还要小一点，实验证明，在600W输出的情况下，H桥的4个功率管散热不成问题，但前级的二个功率管好象散热不够一点，如果有可能，用大一点的风扇。

　　这风扇也是在淘宝网上买的，但现在这家店中好象没有了，只能用其它差不多的风扇代替了

　　三、安装与调试：

　　本机的安装调试并不复杂，但安装前必须做到二点：

　　1.所有元器件必须是好的，器件的耐压和工作电流一定要够，尽可能用新器件，有条件的话装前对元器件作一番测试。

　　2.PCB质量一定要好，装前仔细地检查一下，有没有铜箔毛刺引起的短路等。

　　下面我讲一讲各板子的安装过程要注意的事项：

　　1.功率主板：

　　功率主板的安装，因为都是一些大器件，所以安装是比较方便的。

　　大功率管的安装：先把大功率管的脚弯成如下图所示的样子，然后把管子金属面朝上，将管脚插入焊接孔，在功率管的金属面上涂一点导热硅脂，再覆盖一层矽胶片做绝缘。再把散热器盖上，从PCB下面升上来一个M3的螺丝，拧在散热器，并拧紧，这样，散热器就紧紧压在大功率管上了，再在反面把管脚焊好。这种装法，主要是更换功率管比较方便。

　　板子装完后，接入12V直流电，见上图，按一下S1开关，驱动板就开始工作了，测一下工作电流，一般应该在40MA左右，将示波器探头接到图中PWM输出处，应该看到二路互为相反的PWM波输出，频率在28K左右，幅度为12V.因为这块板子，当初我画的时候，是和我的1000W机通用的，所以，插针处有二对输出，但在600W机中只用了左边的一对。

　　3. SPWM驱动板

　　在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为值时，脉冲的宽度也，而脉冲间的间隔则，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。

　　SPWM驱动板，因为元器件较多，所以，安装时一定要细心，元器件不能有问题，也不能装错。特别是板上的高速隔离光藕TLP250,买时一定要注意质量，现在淘宝上的价格很乱，我曾经买到很便宜的，全新的才2.8元一个，结果发现是打磨后重新印字的假货。一般我认为，全新东芝原装的，价格应该在5-6元的才是真的。装好板子后，按下图接上12V电源，总电流应该在120-130MA左右。

　　测C22二端应该在19V左右，C23二端为15V,说明升压电路部分基本正常。这时，就可以用示波器在SPWM输出端测到SPWM波形，见上图右边的引出脚。（注意：因为二个上管是自举供电的，所以，在没有接H桥的情况下，只能测到二个下管的SPWM波形，二个上管的波形暂时测不到的，这是正常的）。

　　4.整机调试：

　　为了安全起见，一般是前后级分开来调试，等把前后级都调好了，再联起来调试，就方便了。

　　A）前级的调试：

　　先在电瓶的引线上接一个15A的保险丝，功率主板上的高压保险丝不要装，这样，前后级就分开了。插上前级DC-DC驱动板，把万用表直流电压700V档接在高压电解二端，开机（按一下DC-DC驱动板上的ON启动开关），前级就启动了，功率主板上的高压指示LED就亮了，这时，看直流高压为几V.调试DC-DC驱动板上的R12多圈电位器，使高压输出在370-380V之间。此时，12V的电流应该在200MA之内，说明前级正常。这里如果看D极波形，应该是杂乱的波形，因为是空载限压的状态下，这样的波形是对的。

　　B）后级调试：

　　调好前级后，再把前级的DC-DC驱动板拔下，在功率主板的高压保险丝座上，装上一个1A左右的保险丝，在高压电解二端接上一个60V左右的电压，作为母线电压，我是用一台双组的30V电源串起来当成60V用。插上SPWM驱动板，如果电路没有问题，这时，在AC输出端就可以测到正弦波了，电压大约在40V左右，可以接一个36V60W的灯泡做负载。

　　C）联机

　　在前后级都正常的情况下，可以把前后级联起来，完成整机调试

　　把前级的DC-DC驱动板重新插上，后级AC输出端的负载去掉，接上示波器（示波器用1:100的高压探头）和万用表（AC700V档），把高压保险丝换成一个0.5A的。下面要做的事是：开机！即按一下DC-DC驱动板的启动开关，成败在此一举，如果后级元件耐压没有问题，此时，应该在示波器上看到正弦波了，波形应该很漂亮。这里，调整SPWM驱动板的多圈电位器R7,就可以看到输出电压在变化，把它调在225V左右停下。

　　让机器空载工作一段时间，如果没有出现意外，可以把高压保险丝换成2A的，慢慢加大负载，一般是100W,200W,400W,一步一步地加，每加一点让机器老化一段时间，同时要密切注意前级功率管的温升，如果温度过高，要查出原因。

　　目前，正弦逆变器的控制通常采用模拟电路或数字电路实现。由于硬件的固有缺点和不能实施先进的控制策略，致使逆变器的性能不能极大的提高。随着高速微处理器的问世，特别是具有高速运算、处理和控制能力的DSP的出现，使得对正弦逆变器采用新的控制方法成为可能。