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谈逆变器制作与维修(前级篇)(上)

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黎明之光 发表于 2020-10-24 10:21:38 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
本帖最后由 黎明之光 于 2020-10-24 12:14 编辑

写在前面
一晃两三年就过去了,还记得我刚来论坛时的情景,那时候论坛叫最受欢迎的电子论坛,随着时间的推移,论坛逐渐褪去了光芒,但是我始终把电子论坛作为我研究电子的家。
现在的论坛很冷清,当年的大神们也不再交流,不知不觉中我也积攒了一些制作与维修逆变器的经验,鉴于网上没有成套的逆变器制作与维修经验,大多都零零散散,故分享与大家,可以起到抛砖引玉的作用,也能帮助大家少走弯路。本教程共4章,分4次发送,可能会出现断更的情况,在下尽量做到连更,如有错误敬请斧正。
逆变器前级篇之制作篇
逆变器是我们作为应急、光伏发电的重要设备,而一台性能优良的逆变器往往价格居高不下,下面就让笔者简单介绍一下。市售的逆变器往往有四种输出类型:高频方波、低频方波、低频修正波、低频纯正弦波。其四种输出类型的带载范围由少到多,价格也按由少到多排列,即高频方波所能带的负载类型最少,价格最低,低频纯正弦波所能带的负载类型最多,与市电波形相同甚至优于市电波形(市电波形有电磁干扰),但价格最高。那么笔者就以上四种逆变器进行阐述其制作过程与调试方法。
逆变器往往分为前级和后级。我们分开进行阐述。
首先是前级,前级分为直转交过程和逆变过程。直转交过程一般由一个驱动板输出两路驱动信号到上下两个mosfet的G极,两个mos实现震荡,输出方波到变压器。变压器升压,实施逆变过程。驱动板一般选择sg3525,因其价格较低且驱动能力较强。sg3525驱动板的经典应用电路图如下:(此图有错,未加输入电容)
1603590942769.(2)(1).jpg

sg3525驱动板一般要求12v供电,若您制作15v以上,35v以下逆变器,在此建议使用l7812进行稳压,应用电路如下:
41523.jpg

如果输入电压达到35v以上,建议使用xl7015降压模块,原理图基本等同7812。
如果您制作12v逆变器,建议使用mc34063进行稳压,如果您没有mc34063,也可暂时直接使用12v电瓶供电,但此举会导致部分mos发热。电路图略,参考上边两个电路图,将其驱动板供电部分更换为mc34063经典应用电路即可。
接下来是mos的选择。mos一般选用N沟道的。
sg3525驱动板输出两个互补的pwm信号到mos,形成推挽结构。
由于推挽的特性,mos在关断时会承受二倍输入电压,所以一般我们选用耐压高于2倍最大输入电压的mos管,因为mos开启时会受到变压器寄生、分布电容和漏感的干扰,导致出现尖峰,所以mos耐压不可以只为二倍输入电压,应留有至少10v的余量(对变压器绕制要求极高),一般为20-30v最佳,若变压器绕制较差,可能需要高达40v的余量。耐压更高的mos价格更贵,本着节省金钱的原则,不宜选用。如12v的逆变器,电池充满为15v,2倍为30v,留25v余量,mos耐压为55v左右最好,可以选择irf3205等等。若为24v逆变器,电池满电电压最高达到29v,二倍压为58v,留20v余量为78v,若变压器绕制较好,可以选用75n75或者75n08,若为48v逆变器,蓄电池满电电压为58v,二倍压为116v,留20v余量为136v,可以选用耐压不低于135v的mos。接下来是mos的电流计算,根据P=UI,我们可以得出I=p/u,算出这个I通常乘以6就是mos应该选用的电流。例如一台24v,300w的逆变器,计算其满载时输入电流为12a左右,mos应选用至少72a的,例如75n75,若要制作24v,1500w的逆变器,其最大输入电流达到60a以上,此时mos应选择360a以上的,但通常找不到额定电流如此大的mos,那么我们不用一对mos,此时我们可以通过多对mos来实现,对于24v 1500w,可以使用5对75n75。多对mos的d和s极可以分开并联,但g级需单独接驱动电阻后再并联,否则会烧管。
每对mos的开启电压应尽量相同或相近,最好控制在0.05以内,如果购买mos时可以让卖家进行配对。配对的步骤一会讲到。
由于mos是功率器件,且其内部不可避免地存在电阻(Rds on),我们应该尽量选用内阻小的mos,通常选用低于10mΩ的。关于如何查询mos的内阻,待会会介绍到。在此我列出一些内阻较低的mos:p75nf75、irfp4668、ncep85t35t、ncep15t14、irfp3205等等。mos管的发热如何计算?我们可以根据P=I平方乘以R计算出mos的发热。由于mos发热功率与电流呈二次方关系,逆变器输入电流不宜超过60a。
故同等功率的逆变器,设计输入电压越高,电流越低,mos发热越小,效率越高。但设计输入电压越高,可供选择的mos就越少,所以逆变器设计输入一般不超过72v。
根据计算出的mos发热功率,我们可以选择合适的散热片,如果采用主动散热(即带风扇的),一般mos每瓦10-20g铝散热,被动散热(无风扇),一般每瓦50g铝散热。mos温度过高会导致烧管,故需要保护电路,我们将在一会的讲解中说到。对于多对mos并联,相当于其ds两极间的电阻并联,可以算出并连后的电阻再代入公式计算mos发热,也可算出每对mos平均分流的电流,再带入公式求出平方和。这里我不再多说,至于各位怎么计算,就是仁者见仁智者见智了。
mos如何配对?
一般同批次的mos 压差不会太大 如果买全新的mos 无需配对 但该类mos通常单个在10元以上,且许多店家用散新的当做全新的卖,同批次的很少了。
方法主要是测mos的导通电压vgs(th)。将万用表调至二极管档,红笔接g极,黑接s极。部分万用表采用两节1.5v电池的无法测到大部分mos的导通电压,因为大部分mos导通电压均在3v以上。应使用9v供电的万用表进行配对,测量各个mos的开启电压并记录,选择开启电压相同或相近(压差低于0.1v)的mos作为一对使用。同时,也可以使用lcr-t4测试仪进行测试,两包烟的价格,便宜好用,直接将mos插入并按下测试按钮,等待3秒后即可得知mos的gds对应引脚、mos寄生电容(Cgd)、mos开启电压,如图。
20200830_180850.jpg

由于大部分人没有lcr-t4,且该参数对于驱动能力较强的驱动板并非特别重要,在此简单介绍,寄生电容越小越好。万用表电容挡也可测量。
关于mos的内阻、额定电流和耐压查询,我们可以百度搜索该mos的datasheet,找到Rds(on),即为该mos的内阻如图,Vds为该mos的耐压,Id或者Drain current-continuous为该mos的电流。例:
Screenshot_2020-08-19-19-49-49.png Screenshot_2020-08-20-12-53-33.png Screenshot_2020-08-30-18-16-23.png

mos的驱动电阻如何选择?一般我们选择60-5欧姆。导通电压高、寄生电容大的,我们加大电阻,大管一般10欧姆左右。可以参考数电版主的帖子。
3205单芯片驱动最大电流为300ma左右,可供1-3对mos使用。若mos更多,可选择带有图腾的驱动板,或者自己加图腾。这里不再赘述,x宝上电路图一大堆 。
接下来是变压器,变压器直接影响到连续输出功率的大小,变压器的选择也是个学问。一般我们根据功率和设计频率选择变压器,在此列举几个:ec42 频率35-40k可以做到1kw,,30k频率做800w,ee55 37k频率做1.5kw,30k做1.2kw,ee65 27k做1.5kw,37k做2.1kw,ee85可以达到3kw。由于大磁芯频率高了效率反而低,所以我们一般采用双变压器初级并联,次级串联的方式。比如一台3kw的逆变器,可以采用37k频率,ee55双变,也可以27k频率,ee65双变。ee85 频率建议25k以下,否则效率较低。
磁芯材质一般选用pc40的,再次的磁芯频率上不去。接下来是变压器的绕制。
由于高频变压器存在集肤效应,应尽可能采用多线并绕的方式,一般线径采用1.4mm以下的铜线,若1.4mm铜线载流量不足,可以多线并绕。若初级电流达到30a(逆变器经过直转交输入到变压器的电压要低,如24v输入,变压器初级大概15-18v,所以电流增大,变压器初级电流应为√3倍输入电流),可采用铜皮绕制减小集肤效应,在此不再赘述集肤效应的原因。初级匝数根据电压选择,一般每12v为3+3t,如24v逆变器,变压器初级绕6+6t,,48v逆变器初级12+12t。若频率做的高,相应的初级匝数也减少,如12v逆变器做到40khz,初级就需要采用2+2t,根据频率和电压选择初级匝数,频率越高匝数越少,电压越高匝数越多。初级需留一个中心抽头,对应电路图上的中心抽头。次级根据电压倍数比选择匝数,如48v逆变,初级12+12t,次级55t,输出约ac220v。若采用双变的方式,一般是两变压器初级并联,次级串联。此时每个变压器输出110v,对于举例的逆变可以每个变压器次级各绕27.5t,次级串联。若次级采用并联,两变压器输出电压不同,不仅会造成电流倒灌,甚至造成炸管。
如何减少变压器分布电容、漏感,从而减少mos尖峰?
采用三明治绕法。方法是初级先绕12t,然后引出中心抽头(线可以不剪断),绝缘包一层,接着次级绕27.5t,包一层绝缘,再绕初级12t。初级2个绕组绕线方向必须相同,次级绕线方向可以与初级不同,但两个变压器的次级绕线要么都跟初级相反,要么都跟初级相同,如果一个相同一个相反,会带不起负载。绕线应尽量平铺在骨架上,并紧密,减少漏感。变压器绕完最好浸漆,做好绝缘。
变压器漏感如何测量?
普通万用表无法测量,在此我们可以使用lcr-t4测试仪进行测试,将绕好的次级短路,初级接到lcr-t4中,测试电感量,再将次级短路断开,测试电感量,将第一次的电感量除以第二次的电感量,得出漏感大小,低于百分之3,该变压器性能优良,尖峰电压大概10-15v,可以根据尖峰选择耐压。如果漏感低于百分之1,mos可以留10v以下余量 。如果变压器漏感大于百分之五,那么该变压器应重绕,即使不重绕,mos尖峰也严重,如果选择耐压不足的mos,很可能击穿导致炸管,如果选择高耐压mos,也可能发热大。如图是一台逆变器波形图,满载时尖峰电压仅5-10v。
20200830_161431~2.jpg

以上是逆变器初级的制作。如果将变压器次级直接作为输出,就是一台高频方波逆变器了,此种逆变器只适合纯阻性负载。如果想带风扇,还需加后级。注:因电流大,初级应尽量埋铜,不宜仅使用焊锡连接 。逆变器的输入应并联最大电流×100倍微法的电容器,否则刚上电之后就会炸管,甚至导致驱动板击穿。



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