1kw纯正弦波逆变电源设计

        这个机器，BT是12V，也可以是24V，12V时我的目标是800W，力争1000W，整体结构是学习了钟工的3000W机器，也是下面一个大散热板，上面是一块和散热板一样大小的功率主板，长228MM，宽140MM。升压部分的4个功率管，H桥的4个功率管及4个TO220封装的快速二极管直接拧在散热板;DC-DC升压电路的驱动板和SPWM的驱动板直插在功率主板上。

因为电流较大，所以用了三对6平方的软线直接焊在功率板上：
 
       

吸取了以前的教训：以前因为PCB设计得不好，打了很多样，花了很多冤枉钱，常常是PCB打样回来了，装了一片就发现了问题，其它的板子就这样废弃了。所以这次画PCB时，我充分考虑到板子的灵活性，尽可能一板多用，这样可以省下不少钱，哈哈。




如上图：在板子上预留了一个储能电感的位置，一般情况用准开环，不装储能电感，就直接搭通，如果要用闭环稳压，就可以在这个位置装一个EC35的电感。



上图红色的东西，是一个0.6W的取样变压器，如果用差分取样，这个位置可以装二个200K的降压电阻，取样变压器的左边，一个小变压器样子的是预留的电流互感器的位置，这次因为不用电流反馈，所以没有装互感器，PCB下面直接搭通。



上面是SPWM驱动板的接口，4个圆孔下面是装H桥的4个大功率管，那个白色的东西是0.1R电流取样电阻。二个直径40的铁硅铝磁绕的滤波电感，是用1.18的线每个绕90圈，电感量约1MH，磁环初始导磁率为90。

　　上图是DC-DC升压电路的驱动板，用的是KA3525。这次共装了二板这样的板，一块频率是27K，用于普通变压器驱动，还有一块是16K，想试试非晶磁环做变压器效果。



这是SPWM驱动板的PCB，本方案用的是张工提供的单片机SPWM芯片TDS2285，输出部分还是用250光藕进行驱动，因为这样比较可靠。也是为了可靠起见，这次二个上管没有用自举供电，而是老老实实地用了三组隔离电源对光藕进行供电。因为上面的小变压器在打样，还没有回来，所以这块板子还没有装好。本方案中的SPWM驱动也是灵活的，既可以用单片机，也可以用纯硬件，只要驱动板的接口设计得一致，都可以插到本方案的功率板上，甚至也可以做成方波逆变器。



这次DC-DC功率部分的大管子，没有用2907，而是用了RU190N08，上图中的电流应该是190A，错打了180A。因为这管子比2907稍便宜点，所以我准备试一试。





H桥部分的大功率管，我有二种选择，一种是常用的IRFP460，还有一种是IGBT管40N60，显然这二种管子不是同一个档次的，40N60要贵得多，但我的感觉，40N60的确要可靠得多，贵是有贵的道理，但压降可能要稍大一点。



这是TO220封装的快恢复二极管，15A 1200V，也是张工提供的，价格不贵。我觉得它安装在散热板上，散热效果肯定比普通塑封管要强。

这次的变压器用的是二个EC49磁芯绕制的，每个功率500W，余量应该比较大的，初级并联，次级串联。用二个变压器的理由是：1，有利于功率的输出，2.变比小了，可能头痛的尖峰问题会少一些。

对前级进行上电，空载电流近1A，查到是变压器的原因，后来换了磁芯，空载降到360MA（每个变压器180MH，基本可以接受），可见磁芯的重要性，而现在要买到几付好的磁性实在太难了。所幸的是D极波形很好，这次的变压器应该做得还可以了，参数是：初级3+3，用0.2*29的铜带，次级44T，用0.74线二根。下一步准备为前级加载，因为一台逆变器，能不能输出预定的功率，前级质量是决定因素。只因那个大功率的开关电源还有一点小问题要解决，所以，加载可能还要过几天。





这照片上的稳压电源上显示电流为450MA，因为并不是完全空载，我在高压处挂了一个LED，用150K2W电阻降压，这个指示电路要消耗近1W功率，约增加90MA的电流。

对前级进行加载实验，前级为开环，也没有装储能电感，分二步：

第一步：加载约630W，负载是一个200R、1KW的大电阻，这时工作电流为54.5A。连续工作一小时，散热板和190N08大功率管及变压器只有微温，D极波形还比较好，尖峰刚露，不明显，这时母线高压为356V。



第二步：进一步加大负载，又挂上了二个串联的200W灯泡，这时工作电流77.9A左右，此时，实际输出功率在900W以上了，母线高压降至347V，D极波形有一路能看到明显的上冲尖峰。工作半小时，散热板温度为45度， 4个190N08管壳温度：3个为46度，有一个为51度，变压器也有点热。但快速二极管一点也不热。



如果要逆变输出1000W，前级起码要能输出1100W左右，从今天情况来看，温升好象快了些，温度主要集中在大功率MOS管和变压器。因为这样的结构，换管子很麻烦，本来想把190N08换成2907，做一个对比实验。变压器热，我还是认为磁芯质量不过关，因为在900W时，每个变压器单边绕组的电流不到20A，我用的是0.2X29MM的铜带，有5.8个平方MM，电流密度只有3A多一些，初级绕组是不应该发热的;次级有0.74X2，900W时流过的电流不到3A，也不应该热。看来磁芯实在太重要了。

明天准备用风机对散热板进行主动性散热，加载到1050W以上。

继续加大负载，再用二个150W灯泡串联接上去，因为考虑到大电流时线路的压降，把电源电压调高了0.2V，为12.4V，但到线路板还是只有12.1V（我的电源线是用二根10平方并联的）。开机后，工作电流达到98.7A，母线电压为345V，母线电流为3.151A，此时，实际输出功率为1087W。D极波形上的尖峰有点加高，达到45Vpp（因为我在设计PCB时，没有考虑用吸收回路，再加上尖峰也没有达到管子的耐压值，所以也就不去理它了）。此时，功耗达到了1194W，前级的实际效率只有91%了。变压器温升很明显了，因为我在散热板下面放了一个小风扇，所以，管子的温度一直在40度以下，我只让它工作了约20分种。



小结：前级的实验并没有结束，我还想用纳米晶磁环做一次实验，但年内肯定是没有时间了，过了年再试了。看来BT在12V时，要提高功率和效率，瓶颈主要是：1.变压器，包括磁芯质量，绕制数据及工艺等;2.大功率MOS管，内阻一定要小;3.布线及结构，我PCB反面大电流路径都有15-20MM宽的铜箔，填锡达2MM，还加焊了几根4平方的铜线，结构方面主要是散热一定要顺畅，加小风扇是很好的办法。

今天的工作本来想把RU190N08和2907做一个对比测试，测试这二种管子在不同输出功率时的效率情况，于是，先调整了各种测试仪表，先把已经装在板子上的RU190N08做了测试，测试结果如下，看来黄工的这几个管子还是算挣气，一路测下来，效率情况良好。



接下来就是花了一个多小时换管子，装上了4个全新的IRFP2907，本是兴冲冲开机，希望是一个很好的结果，但万万没有想到的是------失败！

在挂上1号负载时（二个150W灯泡串联），工作电流达41.5A，输入功率达523.3W，输出功率为283.4W，效率仅为：54%。这可是做梦都没有想到的结果，2907管子很快发热。

在百思不解的情况下，查看D极波形，居然出现了长长的尖峰：



一般情况下，出现这样的波形，肯定是怀疑变压器漏感太大，但我这二个变压器在用RU190N08时，工作得很好，在挂1号负载时，根本看不到尖峰。

我再测G极波形，发现驱动方波全部变成了梯形波，这才恍然大悟，原来是2907的驱动功率不足所致。看来2907的结电容远远大于RU190N08，用3525直接推动4个2907有点困难。为了证实我的想法，我把栅极电阻从原先的20R换成了10R，再开机，这时，在同样负载下，电流下降为28.3A（用RU190N08时只有21.9A），欠激是肯定的了，因为我的驱动板上没有装图腾柱输出，现在只好等重新做了驱动板再试了。

（驱动功率不足，D极会出现长长的尖峰，这可是第一次遇到，长见识了啊！）



上图是栅极波形，这时电阻已经换成10R，在用20R时情况还要糟很多。



上图是从3525的11、14脚上测到的波形，已经有点变形。

画了一块带图腾柱输出的DC-DC驱动板



带图腾柱输出的DC-DC驱动板的PCB终于来了，今天装了一块进行试机。

因为加了图腾柱输出，所以2907欠激的情况大为改善，但空载电流却比用190N08时要大很多，不去管它了，继续实验下去。



下面的表格是2907和190N80的工作情况对比



下图是用2907时的空载波形：

 

下图是用2907时，前级输出1100W时的波形照片：



从上图可以看出，空载和满载时的波形差不多。