基于HIP4082的DC - AC隔離式電池逆變器設(shè)計

一、引言

在當今科技時代，個人計算機（PC）的普及使得不間斷電源（UPS）成為保障計算機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備，它能有效避免線路電壓驟降和臨時停電對PC可靠性的影響。此外，DC - AC逆變器在汽車、電話行業(yè)等眾多領(lǐng)域也有廣泛應用。本文將詳細介紹基于HIP4082的DC - AC隔離式電池逆變器的設(shè)計，該設(shè)計能提高DC - AC轉(zhuǎn)換性能并降低成本。

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二、HIP4082 特點

功能優(yōu)勢

HIP4082是一款80V N溝道MOSFET驅(qū)動IC，適用于不間斷電源（UPS）、電機控制、全橋電源和開關(guān)功率放大器等應用。其開關(guān)頻率可達200kHz，能獨立驅(qū)動全H橋配置中的四個N溝道MOSFET。與HIP4081A相比，它有以下顯著優(yōu)勢：

1. 高輸出驅(qū)動電流：其峰值輸出驅(qū)動電流達1.25A，在驅(qū)動中大型MOSFET時，可減少串聯(lián)柵極電阻的使用。
2. 簡單的死區(qū)時間設(shè)置：僅需一個延時時間設(shè)置電阻即可調(diào)整死區(qū)時間，避免上、下MOSFET同時導通。通過在DEL和VSS引腳之間連接電阻，可實現(xiàn)0.1μs - 4.5μs的死區(qū)時間設(shè)置。
3. 無電荷泵設(shè)計：進一步減小了尺寸和成本，同時擴展了死區(qū)時間范圍。
4. 連續(xù)開關(guān)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動信號：為上MOSFET提供連續(xù)開關(guān)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動信號，解決了部分用戶對鎖存式上MOSFET柵極控制抗干擾能力差的擔憂。不過，這種方式會使功耗略有增加。在設(shè)計中，應盡量讓續(xù)流電流流經(jīng)下兩個MOSFET或其體二極管，以降低電平轉(zhuǎn)換功耗。
5. 緊湊的封裝：采用16引腳PDIP和窄體SOIC封裝，便于電路板布局設(shè)計。

三、設(shè)計概述

這個DC - AC逆變器設(shè)計采用了一種獨特的方法來調(diào)節(jié)輸出電壓、保護逆變器免受過流影響，并在良性過流導致系統(tǒng)過熱時降低輸出電壓。當設(shè)備通電時，霓虹燈會提醒用戶存在高電壓危險。 評估板包含兩個逆變器：

1. 主逆變器：使用HIP4082通過變壓器隔離將12V電池電壓轉(zhuǎn)換為約160V DC。
2. 副逆變器：將160V DC轉(zhuǎn)換為頻率為55Hz的準方波交流信號，其峰值電壓與高壓DC母線電位匹配。通過簡單的前饋技術(shù)，在電池電壓在11V - 15V范圍內(nèi)變化時，將交流二次電壓調(diào)節(jié)到115V AC（通過元件修改，也可實現(xiàn)230V AC輸出）。評估板的熱限制在環(huán)境溫度為30°C時約為120W，略低于競爭產(chǎn)品，這樣設(shè)計可使設(shè)備在無散熱外殼的情況下運行，方便用戶探測各點以了解電路工作原理。

四、主逆變器設(shè)計

輸入濾波器

主逆變器的輸入濾波器由簡單的RC電路組成。電容C5和C6為逆變器橋（由Q1 - Q4組成）提供穩(wěn)定、無壓降的電源。電阻R37和陶瓷無感電容C7與C5、C6并聯(lián)，增強濾波效果。為防止汽車應用中電池端子的電壓瞬變超過HIP4082和其他IC的VCC電壓額定值，R7、C4和D3將VCC電壓鉗位在16V或更低。

主逆變器波形生成

為減小二次濾波器的尺寸，主逆變器采用50%占空比的方波進行激勵。選用Intersil ICM7555定時器，該定時器可減少VCC到地的交叉?zhèn)鲗щ娏骷夥?，降低偏置電流要求。定時器U1工作在不穩(wěn)定模式，通過連接引腳2和6實現(xiàn)，只需一個電阻R1和一個電容C3。定時器的“OUT”引腳（引腳3）輸出50%占空比的方波，其頻率為120kHz。該方波輸入到CA4013 D觸發(fā)器的時鐘輸入引腳（引腳3），觸發(fā)器將輸入頻率除以2，Q和QNOT輸出為60kHz的50%占空比方波，分別應用于HIP4082的ALI - BHI和AHI - BLI柵極控制輸入。

選擇合適的死區(qū)時間

通過連接在HIP4082的DEL和VSS引腳之間的電阻R2的值來確定Q1 - Q4和Q2 - Q3 MOSFET對消除直通電流的死區(qū)時間。選擇15K的電阻值可提供約0.5μs的死區(qū)時間，足以避免使用RFP70N06 MOSFET時出現(xiàn)直通現(xiàn)象。

控制di/dt和開關(guān)損耗

選擇R3 - R5和R8的柵極電阻值時要考慮多個因素。柵極電阻可調(diào)整功率MOSFET的導通和關(guān)斷上升時間以及換向di/dt。di/dt會影響換向損耗和體二極管恢復損耗，通常存在一個理想的di/dt值可使開關(guān)損耗總和最小。評估板中利用印刷電路板和元件布局的寄生電感以及二次側(cè)逆變器柵 - 源電容來控制di/dt，還在逆變器輸出端子上采用了吸收器（R38 - C27）來控制開關(guān)瞬變。

自舉電源設(shè)計

自舉電源技術(shù)是一種簡單且經(jīng)濟高效的為上MOSFET柵極供電并為HIP4082的浮動邏輯部分提供偏置電源的方法。對于全橋驅(qū)動器HIP4082，每橋相只需兩個元件（二極管D1和D2、電容C1和C2）即可實現(xiàn)該功能。自舉電容通過低壓（VCC）偏置電源充電，充電時需確保在每個PWM周期中預留一定時間打開下MOSFET，以保證自舉電容充電。自舉電容在每個開關(guān)周期內(nèi)損失的電荷主要包括HIP4082上部邏輯部分的偏置電源需求、將等效MOSFET輸入電容充電到VCC電平所需的電荷以及自舉二極管恢復所需的電荷。在設(shè)計時，需確保自舉電容能在規(guī)定時間內(nèi)充滿電，同時考慮電源的輸出阻抗、旁路電容和自舉二極管的正向電阻特性。

五、變壓器規(guī)格

在設(shè)計中，通常需要磁性元件供應商根據(jù)詳細規(guī)格設(shè)計變壓器和扼流圈。規(guī)格應包括最低工作頻率、最大施加電壓和波形、連續(xù)和過載電流曲線、工作環(huán)境溫度以及所需的變壓器調(diào)節(jié)率等。變壓器的激勵波形會影響電流波形和均方根（RMS）電流值，進而影響變壓器的功率損耗和溫升。為減小主逆變器橋的振鈴，應盡量減小變壓器的漏電感。評估板的變壓器采用功率鐵氧體材料E型PQ3230磁芯，初級由3個并聯(lián)的繞組組成，每個繞組的直流電阻小于10mΩ，以提供額定輸出功率所需的約30A RMS電流。有兩個相等但獨立的二次功率輸出繞組，串聯(lián)時可提供230V AC負載功率，美國配置的評估板采用并聯(lián)輸出繞組實現(xiàn)115V AC運行。此外，還有一個二次繞組為二次側(cè)逆變器邏輯和柵極驅(qū)動器提供20.5V（方波峰值）的低壓控制電源。

六、副逆變器設(shè)計

輸入濾波器和整流器

副逆變器有兩個全波整流器。一個將162V二次電壓整流為逆變器的直流高壓母線，采用超快速恢復的3A整流器（UF5405）整流60kHz方波電壓波形，可減少恢復能量損耗。但即使是超快速二極管，也會因恢復能量損失高于預期而導致逆變器輸出功率略有降低，可通過在濾波電容C8和整流橋之間增加串聯(lián)阻抗或重新布置分流電阻R23來降低這種功率損失。另一個整流器為線性穩(wěn)壓器提供控制電源，線性穩(wěn)壓器為二次側(cè)控制和柵極驅(qū)動器提供12V DC穩(wěn)定電壓。

副逆變器

副逆變器采用全波H橋拓撲，通過交替導通Q6和Q9（正半正弦波）以及Q7和Q8（負半正弦波）來合成偽正弦波。為在寬范圍的直流電池輸入電壓下調(diào)節(jié)RMS輸出電壓，需改變Q6 - Q9和Q7 - Q8對的導通時間。選擇方波輸出而非正弦波輸出簡化了脈沖寬度調(diào)制器（PWM）并降低了MOSFET的功耗。通過控制左右半橋的導通時間和相位差，可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。為防止高壓輸出波形出現(xiàn)電壓瞬變，增加了相 - 相和直流母線吸收器。在輸出香蕉插孔和高壓逆變器之間放置了雙繞扼流圈，并配合電容C13減少負載端的傳導電磁干擾（EMI）。

副逆變器控制電路

采用前饋電壓調(diào)節(jié)方法，通過測量濾波后的直流母線電壓來調(diào)節(jié)負載RMS電壓，使其在預期的負載和電池輸入變化范圍內(nèi)保持在約10%的誤差范圍內(nèi)。通過繪制所需占空比與電池電壓的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)隨著電池電壓升高，正、負半周期的寬度應減小，但占空比的減小幅度應小于電池電壓的升高幅度。通過比較三角波和與直流母線電壓成比例的參考信號，生成時鐘脈沖來控制MOSFET的導通和關(guān)斷。左右半橋需同步，左半橋的開關(guān)與三角波的最小值同步，右半橋的開關(guān)則根據(jù)直流母線電壓信號的電平滑動。為確保左右半橋的MOSFET正確導通，需將U5A的Q或QNOT輸出連接到U5B的數(shù)據(jù)輸入D。此外，HIP2500高壓半橋驅(qū)動器需要外部電路來確保半橋支路中的上下MOSFET不同時導通，通過四輸入與門U6和電阻R24 - R27、電容C14 - C17來調(diào)整死區(qū)時間。

過流保護

通過檢測R23上的電壓降來實現(xiàn)瞬時過流保護。由U7A、R28、R29、R32、R36、分流電阻R23和電容C32組成的電路決定過流跳閘電平，當電流約為1.3A時觸發(fā)跳閘。跳閘后，需移除評估板的輸入電壓進行復位。

過溫保護

由電阻R10 - R12、R14、熱敏電阻RT1和二極管D4組成過溫保護電路。當熱敏電阻溫度升高時，其電阻減小，U4B的負求和節(jié)點電壓降低，當?shù)陀谡蠛凸?jié)點電壓時，U4B的輸出上升，通過偽造電壓控制功能來降低輸出電壓的占空比，從而降低RMS輸出電壓。

吸收器

采用直流母線電壓吸收器（由電阻R34和電容C23組成）來控制或減少橋兩端的瞬變，防止MOSFET或HIP2500驅(qū)動器擊穿損壞。

七、總結(jié)

本文通過HIP4082 DC/AC評估板展示了一種使用HIP4082 H橋柵極驅(qū)動器設(shè)計中低壓DC - AC逆變器的簡單且經(jīng)濟高效的解決方案。該設(shè)計在輸出電壓調(diào)節(jié)、過流保護和過溫保護等方面表現(xiàn)出色。希望本文能為工程師們在自己的設(shè)計中提供有益的參考，同時HIP4082 IC也可應用于AC - DC轉(zhuǎn)換器等其他領(lǐng)域。在實際設(shè)計中，工程師們還需根據(jù)具體應用需求對電路進行優(yōu)化和調(diào)整，你在設(shè)計類似逆變器時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享。