2.1.1核心器件
该逆变电路的核心器件包括:ICI TL494CN、T1、T3、T2、T4和L1。
TIA94CN是专用的双端式开关电源控制芯片,其尾缀字母CN表示芯片的封装外形为双列直插式塑封结构,芯片内置有5V基准电源,还内置2只NPN三极管,可提供500 mA的对外驱动能力,外部引脚功能见表2,内部电路如图5所示。
T1、T3均为PNP型三极管SS8500,功率为1W,最大通过电流为1.5A,三极管的印字正向面对自己,从左向右数,引脚1为发射极e、引脚2为基极b、引脚3为集电极c。
T2、T4均为IRFZ48N,属于TO-220形式封装的N沟道增强型MOs快速场效应功率开关管。正向面对场效应管的印字标识面,从左向右数,引脚1为栅极G,引脚2为漏极D,引脚3为源极S。栅极是控制极,通过给栅极加上电压,或不加上电压,来控制2脚和3脚的相通或不相通,IRFZ48N属于N沟道型,在栅极加上电压,2脚和3脚导通,去掉电压就66A,Ptot=140 W,Tj=175℃,RDs(ON)≤ 16mΩ。
2.1.2工作机理
这一部分电路的作用是将汽车蓄电池、发电机提供的12V左右的直流电,通过高频脉宽调制开关电源技术,转换成220 V、50 kHz左右的交流电。
IM TL494CN为脉宽调制控制的核心。其引脚13接内部+5 V电压源,引脚8和11接外部+112V电压源。引脚9、10的脉冲输出方式为推挽(交替)输出:当引脚9输出高电平脉冲时,引脚10输出低电平脉冲;当引脚9输出低电平脉冲时,引脚10输出高电平脉冲。TL494CN的5脚接电容C4 (472)、 TL494CN的6脚接电阻R7(4.3 kΩ) 、 C4和R7为脉宽调制器的定时元件,组成振荡电路,使脉宽调制频率户1.1/(0.0047x4.3) ≈ 50 kHz、 IC1通过9、10引脚带动三极管T1、 T3以及场效应功率开关管T2、T4以50 kHz工作频率工作在开关状态:引脚9输出高电平时T3、T4导通,L1初级绕组下部经T4搭铁构成回路,电流方向向下;引脚10输出高电平时,T1、T2导通,L1初级绕组上部经T2搭铁构成回路,电流方向向上。L1初级绕组中,电流的方向交替变化,L1初级绕组、次级绕组中的磁场交替变化,L1次级绕组两端有220 V左右的感应电压输出。IC 1 TL494CN的9、10引脚输出的推挽调制脉冲如图6所示。
2.1.3关键测试点
1)测试集成块ICI (TL494)引脚14处的电压,如为5V,可以判定IC 1供电及本身工作正常,否则,说明IC 1、周围电路或供电有问题。
2)测试L1输出端的交流电压,正常为220V左右。2.2 220 V/50 kHz高频交流电变换为220 V/50 Hz工频交流电的转换电路
2.2.,核心器件
本部分电路中的核心器件包括:功率开关管T6、T7、T9和T10,其型号均是IRF740A;功率推动管T5、T8,其型号是KSP44;快速恢复整流二极管D5、D6、D7和D8,其型号是HER306;脉宽调制集成块IC2 TL494CN。
1) IRF740A IRF740A为TO-220形式封装的N沟道增强型MOs快速场效应功率开关管,当正向面对场效应管的印字标识面时,从左向右数,引脚1为栅极G,引脚2为漏极D,引脚3为源极S。 IRF740A的主要参数指标:耐压400 V,额定电流10A,功率120 W。当IRF740A损坏无法买到时,可用封装形式和引脚电极排序完全相同的N沟道增强型MOs开关管IRF740B、 IRF740或IRF730进行代换。IRF740、IRF740B的主要参数与IRF740A完全相同,IRF730的耐压400 V,额定电流5.5A,对于150 W以下功率的逆变器来说,其参数指标已经是绰绰有余了。
2) KSP44 KSP44为TO-92形式封装的NPN型三极管,当正向面对三极管的印字标识面时,从左向右数,引脚1为发射极e,引脚2为基极b,引脚3为集电极c。 KSP44的主要参数指标为:耐压500 V、额定电流300 mA,功率0.625 W,放大倍数40200KSP44为电话机中常用的高压三极管,当KSP44损坏而无法买到时,可用日光灯电路中常用的三极管KSE13001进行代换。KSE13001的封装形式虽然同样为TO-92,但其引脚电极的排序却与KSP44不同,这一点在代换时要特别注意。KSE13001引脚电极的识别方法是:当面向三极管的印字标识面时,引脚1为基极b、 2为集电极c、 3为发射极e。
3) HER306 HER306为额定电流3A、耐压600 V的快恢复整流二极管,其反向恢复时间为100 ns,可用HER307 (3A、800 V)或者HER308(3A、 1000 V)进行代换。对于150 W以下功率的车载逆变器,其中的快恢复二极管HER306可以用BYV26C或者最容易购买到的FR 107进行代换。BYV26C为额定电流1A、耐压600 V的快恢复整流二极管,其反向恢复时间为30 ns; FR107为额定电流1A、耐压1000 V的快恢复整流二极管,其反向恢复时间为100 ns。从器件的反向恢复时间这一参数指标考虑,代换时选用BYV26C更为合适些。
2.2.2工作机理
1) 220 V/50 kHz高频交流电经快速恢复整流二极管D5、D6、D7和D8组成的全桥式整流电路,转变成脉动的直流电,再经过电解电容C12滤波,得到较平缓的直流电,取名为U220。
2)参考图5,脉宽调制器IC2内部三极管Q1、 Q2的集电极分别通过IC2的8脚、11脚与开关管T5、T8的基极相连,Q1、Q2的发射极分别通过IC2的9脚、10脚搭铁。IC2通过5脚外接电容C8(容量104)和6脚外接电阻R14(阻值220 kΩ)来确定脉宽调制器的振荡频率,其频率f=1.1/(C8xR14)=1.1/(0.1x220)≈50 Hz,即IC2内部三极管Q1、 Q2按照50 Hz的频率交替导通。
当Q1导通→IC2的8脚电平为0 V-T8的基极电平、T10的栅极电压为0V、T8、T10截止;T9的栅极为高电平,T9导通。与此同时Q2截止,IC2的11脚为高电平,同理可推知T5、T7导通,T6截止。负载中的电流流径为:直流电U220的正极→T9导通→220 V输出插座孔XAC2→负载→220 V输出插座孔XAC 1→毛导通→直流电U220的负极。
当Q2导通时,同理,可推得负载中的电流流径为:直流电U220的正极→T6导通→XAC 1→负载→XAC2→T10→导通→直流电U220的负极。
流过负载的电流方向伴随Q1. Q2交替导通而交替换向,Q1. Q2按照50 Hz的频率交替导通,流过负载的电流就会按照50 Hz的频率进行换向,从而实现220 V/50 kHz高频交流电整流为高压直流电,再经脉宽调制开关电路变换为220 V/50 Hz工频交流电。
2.2.3关键测试点
测量IC2的8脚、9脚,T5、T8的基极和T6、T7、T9、T10的栅极的波形,幅值约12V,波形参考图6。
2.3保护电路
1)上电软启动电路IC 1的15脚与外围电路的R1、C1组成上电软启动电路:上电时,电容C、两端的电压由0V逐步升高,当C1两端电压达到5V以上时,IC 1内部的脉冲调制电路开始工作。当电源断电后,C1通过电阻R2放电,保证下次上电时的软启动电路正常工作。
2)过热保护电路IC 1的15脚与外围电路的R1、R热敏、R2组成过热保护电路,R热敏为正温度系数热敏电阻,常温阻值可在150~300Ω范围内任选,适当选大些可提高过热保护电路启动的灵敏度。热敏电阻R热敏安装时,要紧贴于MOs功率开关管孔或T4的金属散热片上,这样才能保证电路的过热保护功能有效。
IC1的15脚的搭铁电压值U是一个比较重要的参数,参阅图4电路,U≈ Vcc×R2/(R1+R热敏+R2),常温下的计算值为U≈ 6.2 V。正常工作情况下,要求IC 1的15脚电压应略高于16脚电压(与芯片14脚相连,为5 V),其常温下6.2 V的电压值大小正好满足要求,并略微有一定的余量。
当电路工作异常,MOs功率管T2或T4的温升大幅提高,热敏电阻R热敏的阻值超过约4 kΩ时,IC 1的15脚电压将高于16脚电压,IC 1内部的误差放大器2的输出由低电平翻转为高电平,IC 1的3脚也随即翻转为高电平状态,致使芯片内部的比较器、“或门”以及“或非门”的输出均发生翻转,输出级三极管Q1和Q2均转为截止状态。当IC 1内部的2只输出管Q1、Q2截止时,图4电路中T1、T3将因基极为低电平而饱和导通,比较器T1、T3导通后,功率管T2、T4将因栅极无正偏压而处于截止状态,逆变电源电路停止工作。
3)输入电源过压保护电路IC 1的1脚与外围电路的DZ1、R5、D1、C2、R6构成12V输入电源过压保护电路,稳压管DZ1的稳压值决定了保护电路的启动门限电压值。D1、C2、R6还组成保护状态维持电路,只要发生瞬间的输入电源过压现象,保护电路就会启动并维持一段时间,以确保后级功率输出管的安全。考虑到汽车行驶过程中蓄电池电压的正常变化幅度大小,通常将稳压管DZ1的稳压值选为15V或16V。
4)输出端过压保护电路R29、R30、R27、C11、DZ2组成XAC插座220 V输出端的过压保护电路,当输出电压过高时,将导致稳压管DZ2击穿,使IC2的4脚搭铁电压上升,芯片IC2内的保护电路动作,切断输出。
5)关键测试点IC1的3脚与外围电路的C3、R5是构成上电软启动时间维持以及电路保护状态维持的关键性电路,实际上不管是电路软启动的控制还是保护电路的启动控制,其最终结果均反映在IC 1的3脚电平状态上。电路上电或保护电路启动时,IC 1的3脚为高电平。当IC1的3脚为高电平时,将对电容C3充电。当导致保护电路启动的诱因消失后,C3通过R5放电,因放电所需时间较长,使得电路的保护状态仍得以维持一段时间。
当IC1的3脚为高电平时,还将沿R8、D4对电容C7进行充电,同时将电容C、两端的电压提供给IC2的4脚,使IC2的4脚保持为高电平状态。从图5的芯片内部电路可知,当4脚为高电平时,将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位,使该比较器输出保护为恒定的高电平,经“或门”、“或非门”的逻辑计算,使内置的三极管Q1、Q2均截止,这样,图4电路中的T5和T8将处于饱和导通状态,其后级的叽和T9将因栅极无正偏压而都处于截止状态,逆变电源电路停止工作。