一款基于脉宽调制芯片TL494的微型车载逆变器设计电路
摘要：针对汽车内部直流电源不能用于交流用电器的问题，设计了一款基于脉宽调制芯片tl494的微型车载逆变器。该逆变器采用dc－dc变换和dc－ac逆变两级结构，前级完成直流升压，后级选择脉宽调制（pwm）控制方式，将直流电压逆变为220v／50hｚ的方波交流电。其中，dc－dc变换器先通过推挽逆变电路和高频变压器将12v变换为22v交变方波，再经快恢复二极管整流得到22v直流电。另外，该逆变器提供了一个标准usb接口，可以为具有usb接口的手机等设备充电。
汽车内部的供电系统是由蓄电池提供的12v直流电，车内的12v电源一般供点烟器使用。随着现代汽车用电设备种类的增多，内置的单一直流电源不能满足如手提电脑、手机充电器、小型电视等所需220v交流电的需求。这就需要逆变器将12v直流电转换为220v交流电，同时，以上商用或一般生活用的设备对交流电压的波形要求不高，方波即可，不必需要正弦波［1－2］。基于这样的应用背景，本文设计制作了一款微型车载逆变器，体积小、重量轻，采用方波输出，电压有效值为220v，功率可达150w。
1逆变器系统结构 逆变器系统框图如图1所示，整个结构分两级，第一级为dc－dc变换，第二级为dc－ac变换。同时利用mc34063构成降压式变换器提供5v直流输出的标准usb接口。
图1逆变器系统框图
车载逆变电源需要采用开关变换器将蓄电池提供的12v直流电经过dc－dc变换器提升为22v，后级再经过dc－ac变换器转换为工频交流电。对于前级dc－dc变换器，又包括高频dc－ac逆变部分、高频变压器和ac－dc整流部分。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用，尤其是在低压大电流输入的中小功率场合；同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点［3］；而全桥逆变电路开关管需要的电压不高，输出功率也比较大，变压器利用率高，因此本文采用推挽逆变－高频变压－全桥整流－全桥逆变的结构。
2硬件电路 2．1tl494简介 tl494是一种频率固定的脉冲宽度控制器，片内集成误差放大器，死区时间可控制，输出控制可用于推挽式和单端式。其内部结构如图2所示，时序图如图3所示。
图2tl494内部结构图
图3tl494时序图
2．2dc－dc变换电路 dc－dc变换电路如图4所示。采用推挽式电路，高频变压器初级绕组中心抽头接蓄电池12v，线圈两端接开关管mos1和mos2，触发信号由tl494提供，间隔180°。mos1导通时，mos2截止，蓄电池12v电压加在初级绕组w12和mos1构成的回路上，绕组w12上感应出的电压与蓄电池电源电压相等，同名端为正极性，次级绕组w2感应电压上正下负。mos2导通时，mos1截止，蓄电池12v电压加在初级绕组w11和mos2构成的回路上，绕组w11同名端为负极性，次级绕组w2感应电压上负下正。这样，次级绕组w2上得到了脉宽180°的交变方波电压，再经快恢复二极管d7～d10全波整流后得到22v直流电压。
tl494的工作开关频率由第6脚的电阻和第5脚的电容共同决定。较高的开关频率可以减小高频变压器体积，降低成本，但太高的开关频率会增加功率开关管的损耗，对散热要求较高，开关频率太低使得变压器体积必须增大，导致整体成本增加。考虑到本逆变器有小型风扇散热，为了减小体积，使之便于携带，本电路设定开关频率为50ｋhｚ，从而使高频变压器可以做得很小。
2．3高频变压器绕组设计 （1）初级绕组匝数
设推挽电路的初级绕组匝数w11＝w12＝w1，由法拉第定律有：v1＝kffw1bmaｅ（1）
式中：v1为输入电压；f为开关频率；kf为波形系数，方波为4．0，正弦波为4．4；bm为最大磁通密度；aｅ为磁芯截面积。
由式（1）可得：w1＝vi／（kffbmaｅ）。
（2）次级绕组匝数
w2＝（v2／v1）w1（2）
其中，v2为次级绕组电压，这里为22v直流电压和快恢复二极管压降之和。
图4dc－dc变换电路
（3）绕组导线计算
导线截面积为s1＝i1／j1，i1为各绕组电流有效值；j1为电流密度，一般为3～5a／mm2。导线直径为d1＝槡4s1／π。
铜导体穿透深度：
式中：ρ为铜导体电阻率，25℃时ρ＝1．72×10－8ω·m；r为铜导体电导率；μ0为真空磁导率；f为工作频率。
选取导线时，应使线径小于2δ，并采用直径小于2δ的多股导线并绕，或采用宽而薄的铜导线绕制，铜箔厚度小于［4］2δ。
2．4dc－ac变换电路 dc－ac变换电路如图5所示。采用全桥逆变形式，由于不需要变压器升高或降低电压而是直接向负载供电，使得逆变器的体积可以减小。mos4和mos5为一组，mos3和mos6为一组，两组功率管轮流导通。选择脉宽调制（pwm）控制方式，具体塬理为：mos5和mos6轮流导通180°，mos3和mos4也是同样的方式。
图5dc－ac变换电路
下桥臂mos4和mos6的触发信号要比上桥臂mos4和mos5早，这样有利于上桥臂功率管的触发。
桥式逆变电路的4个nmos功率管选择ir－fr320，该管最高耐压400v，最大电流为3．1a，输入阻抗极高，漏源电阻仅为1．8ω。并且为了减小逆变器的体积，选择了to－252aa贴片式封装。
2．5usb充电接口 该逆变器带有一个标准usb接口，可提供5v直流电压输出。输出电流可达500ma，能为具有usb接口的手机、mp3供电，具体电路如图6所示。
图6usb输出电路
利用单片双极性线性集成电路mc34063构成开关式降压变换器。mc34063能在3～40v的输入电压下工作，输出开关电流可达1．5a，输出电压可调，工作振荡频率从100hｚ～100ｋhｚ。
3实验结果 依据上述方案设计制作了逆变器，并进行了实验，体积为９mm×6mm×1．4mm。采用12v开关电源作为直流输入，交流输出端经过220v到９v变压器降压后，利用优利德uni－tut2025c数字示波器测量了输出波形，如图7所示。
图7降压后的输出波形
4结语 本文设计一款基于tl494的微型车载逆变器，包括dc－dc直流升压变换和dc－ac逆变两级电路结构，系统体积小、重量轻、便于携带，适用于车载使用。经实际运行测试，该逆变器输出功率可达150w，工作稳定可靠，可满足一般交流设备的用电需求。同时，所配有的标准usb接口可为手机等具有usb接口的设备充电，具有较强的实际应用价值。
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1逆变器系统结构 逆变器系统框图如图1所示，整个结构分两级，第一级为dc－dc变换，第二级为dc－ac变换。同时利用mc34063构成降压式变换器提供5v直流输出的标准usb接口。
图1逆变器系统框图
车载逆变电源需要采用开关变换器将蓄电池提供的12v直流电经过dc－dc变换器提升为22v，后级再经过dc－ac变换器转换为工频交流电。对于前级dc－dc变换器，又包括高频dc－ac逆变部分、高频变压器和ac－dc整流部分。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用，尤其是在低压大电流输入的中小功率场合；同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点［3］；而全桥逆变电路开关管需要的电压不高，输出功率也比较大，变压器利用率高，因此本文采用推挽逆变－高频变压－全桥整流－全桥逆变的结构。
2硬件电路 2．1tl494简介 tl494是一种频率固定的脉冲宽度控制器，片内集成误差放大器，死区时间可控制，输出控制可用于推挽式和单端式。其内部结构如图2所示，时序图如图3所示。
图2tl494内部结构图
图3tl494时序图
2．2dc－dc变换电路 dc－dc变换电路如图4所示。采用推挽式电路，高频变压器初级绕组中心抽头接蓄电池12v，线圈两端接开关管mos1和mos2，触发信号由tl494提供，间隔180°。mos1导通时，mos2截止，蓄电池12v电压加在初级绕组w12和mos1构成的回路上，绕组w12上感应出的电压与蓄电池电源电压相等，同名端为正极性，次级绕组w2感应电压上正下负。mos2导通时，mos1截止，蓄电池12v电压加在初级绕组w11和mos2构成的回路上，绕组w11同名端为负极性，次级绕组w2感应电压上负下正。这样，次级绕组w2上得到了脉宽180°的交变方波电压，再经快恢复二极管d7～d10全波整流后得到22v直流电压。
tl494的工作开关频率由第6脚的电阻和第5脚的电容共同决定。较高的开关频率可以减小高频变压器体积，降低成本，但太高的开关频率会增加功率开关管的损耗，对散热要求较高，开关频率太低使得变压器体积必须增大，导致整体成本增加。考虑到本逆变器有小型风扇散热，为了减小体积，使之便于携带，本电路设定开关频率为50ｋhｚ，从而使高频变压器可以做得很小。
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其中，v2为次级绕组电压，这里为22v直流电压和快恢复二极管压降之和。
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导线截面积为s1＝i1／j1，i1为各绕组电流有效值；j1为电流密度，一般为3～5a／mm2。导线直径为d1＝槡4s1／π。
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2．4dc－ac变换电路 dc－ac变换电路如图5所示。采用全桥逆变形式，由于不需要变压器升高或降低电压而是直接向负载供电，使得逆变器的体积可以减小。mos4和mos5为一组，mos3和mos6为一组，两组功率管轮流导通。选择脉宽调制（pwm）控制方式，具体塬理为：mos5和mos6轮流导通180°，mos3和mos4也是同样的方式。
图5dc－ac变换电路
下桥臂mos4和mos6的触发信号要比上桥臂mos4和mos5早，这样有利于上桥臂功率管的触发。
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2．5usb充电接口 该逆变器带有一个标准usb接口，可提供5v直流电压输出。输出电流可达500ma，能为具有usb接口的手机、mp3供电，具体电路如图6所示。
图6usb输出电路
利用单片双极性线性集成电路mc34063构成开关式降压变换器。mc34063能在3～40v的输入电压下工作，输出开关电流可达1．5a，输出电压可调，工作振荡频率从100hｚ～100ｋhｚ。
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图7降压后的输出波形
4结语 本文设计一款基于tl494的微型车载逆变器，包括dc－dc直流升压变换和dc－ac逆变两级电路结构，系统体积小、重量轻、便于携带，适用于车载使用。经实际运行测试，该逆变器输出功率可达150w，工作稳定可靠，可满足一般交流设备的用电需求。同时，所配有的标准usb接口可为手机等具有usb接口的设备充电，具有较强的实际应用价值。
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