通用纯正弦波逆变器制作

概述

本逆变器的PCB设计成12V、24V、36V、48V这几种输入电压通用。制作样机是12V输入，输出功率达到1000W功率时，可以连续长时间工作。

该逆变器可应用于光伏等新能源，也可应用于车载供电，作为野外应急电源，还可以作为家用，即停电时使用蓄电池给家用电器供电。使用方便，并且本逆变器空载小，效率高，节能环保。

设计目标

1、PCB板对12V、24V、36V、48V低压直流输入通用；

2、制作样机在12V输入时可长时间带载1000W；

3、12V输入时最高效率大于90%；

4、短路保护灵敏，可长时间短路输出而不损坏机器。

逆变器主要分为设计、制作、调试、总结四部分。下面一部分一部分的展现。

第一部分 设计

前级DC-DC驱动原理图

DC-DC驱动芯片使用SG3525，关于该芯片的具体情况就不多介绍了。其外围电路按照pdf里面的典型应用搭起来就OK。震荡元件Rt=15k，Ct=222时，震荡频率在左右。用20KHz左右的频率较好，开关损耗小，整流管的压力也小些，有利于效率的提高。不过频率低，不利于器件的小型化，高压直流纹波稍大些。

电池欠压保护，过压保护以及过流保护在DC-DC驱动上实现。用比较器搭成自锁电路，比较器输出作用于SG3525的shut_down引脚即可。保护电路均是比较器搭建的常规电路。DC-DC驱动部分使用了准闭环，轻载时，准闭环将高压直流限制在380V左右，一旦负载加重前级立即进入开环模式，以最高效率运行。并且使用了光耦隔离，前级输入和输出在电气上是隔离开的，这样设计也是为了安全。如图所示，是DC-DC驱动电路原理图。

图 DC-DC驱动电路原理图

前级DC-DC功率主板原理图

DC-DC功率主板采用的是常规推挽电路，8只功率开关管，每只管子有单独的栅极驱动电阻，分别用图腾驱动这8只功率管。变压器次级高压绕组经整流滤波后得到直流高压。辅助绕组经整流滤波稳压之后给后级SPWM驱动板以及反馈用的光耦提供电压供电。

从原理图上可以看出，给前级驱动板供电，采用了电压变换电路，输入为12V时，为了保证在电池电压较低时前级驱动也充足，用LM2577升到15V，输入24V时，用LM7815降为15V，输入电压大于36V时，只能用LM2576HV来给驱动板供电了。大家都知道，像LM7815之类的线性电源容易受到干扰，所以建议24V的也用LM2576。

从原理图中可以看出，辅助电源也用了LM7815，建议最好换成LM2576。本次制作的时候也会用LM2576，把LM2576做在一块小板子上，最后输出三根线，和LM7815兼容。

关于前级驱动变压器的功率管选择，耐压值的经验选择为输入最高电压*，即当12V的机器，输入电压最高为，*=，所以，12V的机器可以选耐压35V的MOS。当然，这么选择是有前提的，就是你的变压器绕制工艺不能太差，漏感、分布参数不能太大，否则MOS会被变压器产生的尖峰击穿损坏。如果变压器绕制过关，可以选择耐压小点的管子，一般来说，电流相同，耐压更高的管子输入电容更大，内阻也更大。但如果变压器绕的不咋样，乖乖，还是选择耐压高些的MOS管更好。

下面给出各种电压选择管子的参考：12V输入，4对IRF4104；24V输入，4对IRFP3710；36V输入：3对IRFP3710；48V输入：3对IXFH58N20。我给出的这些管子并不是最合适的，但是这些管子都是我用过的，并且留有足够余量，实现本制作目标是没啥问题的。图所示是DC-DC功率主板原理图。

图 DC-DC功率主板原理图

关于变压器，打算用一个EE55来完成。12V输入时，初级2T+2T，单边用的漆包线14根并绕，截面积达到11*2=22平方毫米，过100A的电流没问题了。次级1根的漆包线绕60T，辅助绕组用的漆包线绕4T。变压器用三明治绕法，即次级、初级、次级、辅助。关于变压器的具体绕制，后面再说。

做24V输入的，EE55，初级4T+4T，单边用的线8根并绕。次级1根的漆包线绕60T，辅助绕组用的漆包线绕4T。

做36V输入的，EE55，初级6T+6T，单边用的线8根并绕。次级2根的漆包线绕60T，辅助绕组用的漆包线绕4T。

做48V输入的，EE55，初级8T+8T，单边用的线8根并绕。次级2根的漆包线绕60T，辅助绕组用的漆包线绕4T。

由于24V、36V、48V输入时，功率可以大于1000W，因此漆包线的截面积（即漆包线根数）也应该增加，那样才能扛得住更大的功率。按照我上面给的参数，24V时能到1500W，36V能到2000W，48V搞个2500W或者3000W没啥问题。要说明的是，上面给出的参数我目前还没实际做过，给出的参数只作为参考。

SPWM驱动板原理图设计

SPWM采用专用芯片EG8010产生。EG8010还是挺好用的，虽然精度差些，但是也没有什么其他不好的，而且功能还挺多，最重要的是便宜，5元一片，都玩得起。关于EG8010的外围电路，参照其数据手册即可。

MOS驱动用IR2110，IR2110便宜，一只2110就可以驱动两只MOS，而且价格还比TLP250光耦便宜些，性能也不错，我比较喜欢的就是IR2110有SHUT_DOWN引脚，内部有D触发器，在做保护时，可以做成逐个周期限流。即一个50Hz的正弦周期保护后，要等到下一个正弦周期IR2110才会重新输出。大家看我做的24V/2000W的那个机器短路波形可以发现，在短路的时候，频率仍然为50Hz，这个就是IR2110内部有D触发器的原因了。关于IR2110供电问题，就用自举供电。1000W的功率不大，自举供电完全OK，如果做独立供电，需要至少三组隔离电源，比较麻烦，并且反激电源并不好做。

后级MOS的保护集成在SPWM驱动板上，采用检测管压降，稳定可靠，个人认为，比那种用电阻采样的要更可靠。关于管压降保护的，我不多讲，这也是我从别处学过来的，有些东西不方便说，好像是涉及了别人专利问题。我只说，按照我原理图里面的那些元件搭建起来，是完全可以的。

该逆变器采用的是单极性调制，故只需要一只电感，电感可以用外径47mm、磁导率小于90的铁硅铝来绕，绕120T左右。具体数字要等我绕电感时才能确定，现在磁环都还没买好，电感的事就暂时放一放。如下面图所示是SPWM驱动板原理图。

图 SPWM驱动板原理图

后级DC-AC功率版原理图设计

DC-AC原理图部分没啥好讲的，也就是MOS搭成的一个全桥，在输出接LC滤波就OK。

DC-AC部分加入了高压检测电路来控制SPWM驱动板的电源。即直流高压大于240V时辅助电源才接通，后级开始工作。还有辅助电源下降时关掉SPWM驱动的电路，防止当辅助电源降低而高压直流还较高时因为功率管驱动不足引起的炸管事故，增加这个功能后就可以安全的短路关机了，不然的话，短路关机是很危险的。如下图所示是DC-AC功率版原理图。

图 DC-AC功率版原理图

原理图综合

由于有了做上一版24V逆变器的经验，所以这次我不打算再像上次那样做成几个模块了。这次我做成一个整体的，即把DC-DC升压以及DC-AC逆变都做在一张板子上，所以还需要一个原理图综合的部分，把原理图综合起来，都弄好后，就可以开始布局布线了。这个原理图是我这次做的机器的依据。这次的机器主体结构是下面一张大的主板，主板上面是功率器件，然后前级驱动、SPWM、温控风扇等部分是小板子，做成立式都插在主板上面，甚至代替LM7815的LM2576的小板子也是插在主板上的，大伙觉得这样设计如何反正我是比较喜欢。如图所示，是整个机器的原理图，和前面分开分析的电路是一样的。原理图里写了注释，我就不再多说了。

第二部分 PCB设计

PCB布局布线

原理图弄完了，下面开始PCB布局布线了。由于之前做了24V/2000W的机器，所以前级驱动板和SPWM驱动板可以直接用，不用重新做了。先上个前级驱动和SPWM驱动板的截图上来。

图 前级驱动板PCB 图 前级驱动板背面的3D效果图

如图所示，是前级DC-DC驱动板的PCB图。注意看标尺的尺寸：*，很迷你，但是功能是没缩水。这就是用直插芯片和贴片阻容的效果，可以做到很小的体积，甚至比全贴片的还要小。如图所示，是前级驱动板的背面3D图，说实话，不太好看，不过实物要漂亮些。

如图所示，是SPWM驱动板的PCB图，尺寸*，体积不算大。如图所示，是SPWM驱动板的3D效果图。

图 后级SPWM驱动板的PVB图 图 后级SPWM驱动板驱动板背面的3D效果图

变压器制作

变压器是EE55卧式磁芯，12V/20KHz左右时出1000W没问题，并且还留有余量。初级2T+2T，用φ的线20根并绕。次级60T，用φ的线2跟并绕。辅助φ的线绕4T。

先绕两层次级，大概是40T，然后是初级，初级完了之后是剩下的20T次级，最后是4T的辅助绕组。如图所示，是DC/DC部分主变压器的绕组结构示意图。

图 DC/DC部分主变压器绕组结构示意图

这是骨架从旁边看过去（即骨架两边的引脚都在下面）的示意图，中间的方块是磁芯中间那个部分。从里到外，依次是次级、初级、次级、辅助绕组。

图中1和2绕组是最里面的2层次级绕组。3是初级的中间抽头，4和5是初级的另外两个抽头，次级一共有2层。4和5是相交叉的，故图中4和5的线叠在一起了。6和7是剩下的20T（1层）的次级。8和9是辅助绕组。

1和2的次级绕组用φ的线2条并绕，先绕40T即可，40T大概是2层。绕的时候注意将漆包线拉紧，以减小漏感，但不能太用力，不要把漆包线外面的绝缘漆弄掉了，还要注意将线绕平整，绕之前漆包线不平整的，先用工具弄直了再绕。注意每一层绕完后要用高温胶带粘好，要做好绝缘。绝缘不好，绕组之间短路就麻烦了。绕好之后把线头弄到旁边去，先不用固定在骨架的引脚上。2层次级的实物图所示。

图 变压器1、2层绕组绕制

次级绕好之后，加绕两层绝缘胶带，只需两层就好了，太多了会增加漏感，太少绝缘性能又不达标。接下来就是绕制初级了。我绕初级是把漆包线当成铜带来用的，就是把很多条漆包线都焊接在一个铜块上，然后再绕到变压器中，实践证明，这种办法较好，绕出来的变压器效果还不错。

首先根据变压器骨架尺寸，量好绕2T需要的漆包线的长度，注意要把接头部分的考虑进去，然后乘以2（另外一个绕组）。我绕的时候取50cm左右，有点长了，浪费了一些漆包线。剪好20根这个长度的漆包线。

下面我们需要把这20根漆包线焊接到一块铜片上。就需要把这些线中间的绝缘漆刮掉一部分，刮好之后找个东西把这些漆包线压起来，中间刮掉漆的放在一块，开始焊接。看图吧——如图所示。图片中的那个小的铜片是冰箱里面拆出来的铜管拍扁的。大家只要找差不多大小的就OK。

图 初级的绕制方法

焊接好后就要开始绕初级了，初级是比较难搞的，大家都耐心点，仔细点。我绕这个变压器差不多是花了一天，俗话说慢工出细活，大概就是这个道理吧。我花了接近一天，绕出来的变压器效果还是蛮不错的。啰嗦了，继续。在变压器一侧的骨架上开个方形的口子，把那个铜片穿过去，如图所示。然后在铜片上方贴好绝缘胶带。

图 初级的绕组小铜条的固定方法

接下来就是把那些漆包线绕骨架上折，在另一边先用螺丝刀作为临时固定的装置在绕的时候注意两个绕组的相互交叉的，这样有利于减小漏感，并且两个绕组很对称。

以同样的办法，然后初级的第二层。抱歉，这里手不是很空，也没记住，就没拍照片了。接下来就是要焊接初级的另外两个电极了。具体怎么搞的请看图所示。最后一个画面是焊接好的效果图。

图 初级绕组绕好的效果

初级搞完了，粘好胶带，继续绕次级。由于后面的比较简单，所以就没拍照了，有问题的再问。最后需要把两个次级连起来，注意里面的次级的同名端和外面次级的异名端相连，不能错。有电感表的，分别测两个次级的电感，两个次级串联好后，电感是两个次级单独的电感之和才对，否则就错了。比较可惜的是连绕好的变压器我都忘拍照了，现在变压器正在享受“油浴”（浸绝缘漆），我就不去打扰它了，等泡好漆干了再补照片。

下面是小测试了一下变压器，只拍了波形，其他的都忘记了，其他的也不重要，测试的是一块3525搭的小板，两对IRF3205功率MOS管，负载是一只200W的白炽灯。白炽灯直接接到变压器的次级绕组上，不加整流滤波电路。白炽灯雪亮，实际功率大概350W左右，如图所示，是场管D级波形，很好看吧，尖峰震荡都比较小，证明变压器效果还蛮好。

图 MOS管D级波形图

我说下我自己理解的绕这种高频变压器的难点吧。这种高频变压器难点就在初级上，因为初级电流很大，12V/1000W的机器初级电流要接近100A，100A的电流得用足够截面积的铜线来绕，由于趋肤效应的存在，还不能用直径太大的线绕，所以只能用多条细线并绕，要想把这么多线绕好，绕漂亮，并且高频变压器对漏感、还有分布参数以及绝缘性要求都比较高，所以要把这么多线处理好，是真的比较困难。

当然，高频变压器的这种难只会由我这种菜鸟级别的人物说出来，对那些大师来说，就完全是小菜了。

好多天没来了，现在更新下。PCB正在布局布线中，这么多元件，看着头还是有点小痛。

图 PCB飞线效果图 图 散热片结构浦和尺寸

这次把前级、后级都搞到一张板子上了，并且尽量缩小PCB尺寸，做个迷你版本的。如图所示，是散热器的外形及尺寸：长240mm，高50mm，宽30mm，基板厚。我很喜欢这种形状的，做机器很好。

经过几天的努力，终于把PCB画好了。现在发上来让大家瞧瞧，请大家多多指点。原理图跟之前发的有些修改，以这个为准。

图 整体SCH图PCB图和3D效果图

如图所示，是已经做出来的板子，尺寸是：105*240mm2。

图 已经做好的空板

经过昨天下午以及今天一天的努力，板子终于焊的差不多了，板子的安装和焊接部分就不多说了，地球人都会的。安装焊接好的板子如图所示。

图 安装焊好的板子

第三部分 调试部分

焊接完之后就开始调试了，调试分为前级dc-dc驱动板调试、SPWM驱动板调试、主板调试以及温控风扇调试。

前级dc-dc驱动板调试

将3525的shut-down脚，即第10脚接地，1脚也接地，然后给驱动板通12V电源，用示波器看有没有PWM输出。只要元器件是好的，焊接无误，就会有22kHz左右的PWM输出。

如果没有PWM输出也不要着急，一步一步慢慢检测、排查。首先检查焊接有没有错误，确认焊接没问题后，检查3525供电，供电正常的话，就看下3525的基准5V是否正常，如果3525的基准5V不正常，那基本可以宣判3525死刑了，换吧。

如图所示，是测试连线以及3525的输出波形。出现了下面的波形就差不多可以判断DC-DC驱动板没问题了，至于欠压、过压、过流保护，后面再慢慢调。

图 测试连接及3525的输出波形

SPWM驱动板调试

把SPWM驱动板的电压反馈和电流反馈都接地，然后在电源端接入15V直流稳定电压，示波器接两个下管的驱动，看有没有输出。如果电路焊接无误，元件都是好的，那是肯定可以观察到输出的SPWM波的。

如果出不了SPWM波也别着急，同样，慢慢检查。首先检查焊接有没有问题，焊接没问题就检查芯片供电，检查EG8010输出SPWM没，再检查2110有没有问题，总之，顺着信号的方向一步一步检查。

如图所示，是SPWM驱动板测试接线以及两个下管驱动波形。出现了下面的波形就差不多可以判断SPWM驱动板没问题了。

图 SPWM驱动板测试接线以及两个下管驱动波形

主板调试

主板调试也要分步骤，先调试升压部分，后调试逆变部分，最后再把这两个都结合起来一起调。

1.先说升压部分。装一对IRF3205试机，把DC-DC驱动板插在主板上，去掉高压保险，检查没其他问题就可以通电了。先用一个小功率的12V电源供电，当然，您要是非常自信，不怕危险也可以用大电流的。通电→用万用表检测直流高压。如果没有什么问题的话，就可以出370V左右的直流高压了。变压器会响，这是正常的，因为前级处于断续工作状态。

出直流高压后，换个功率大一点的电源，通电，在直流高压处接一个200W的灯泡，此时，灯泡很亮，直流高压会有所下降，都是正常的，用示波器观察场管D极波形，不能有太高的尖峰和震荡，如图所示，不然后面效果会很差。

图 DC-DC升压主电路调试及场管D极波形

DC-AC逆变部分调试

先断电，用一只200W的灯泡给直流高压电解放电（为什么要放电你要是不怕被电着的话，那也是可以不放的，不过出了问题别怪我没提醒。）。EG8010是单极性调制，只需要一只滤波电感，我在PCB板上留了两只滤波电感，是为以后有其他用处。把另外一只电感直接短接，输出共模电感也短接，电流互感器也短接，如图所示。

图 短接PCB上的一只滤波电感、输出共模电感和电流互感器

把SPWM驱动板插上，在高压电解那接入一个12V左右的电源，再另外找一个15V左右的电源给SPWM驱动板供电。特别注意：这两个电源不能共地，不要嫌麻烦，乖乖的找两个独立的电源接好。然后通电，如果没有什么问题，这时就可以在输出端看到正弦波了，如图所示。有成就感吧，哈哈！

图 测量DC-AC输出波形

此时，你可以放心大胆的做短路测试，把输出短接，逆变会马上进入保护状态。

做到这，已经成功一半了，下面需要把升压部分和逆变部分结合起来调试了。断电，去掉高压保险，在高压保险座上并联一只200W的灯泡，然后在逆变器输入端接上电源。如果没其他问题，可以在逆变器输出端看到正弦波，并且200W灯泡一点都不会亮，挂一只60W的灯泡，灯泡正常发光，逆变器正常工作。

到这一步，你就成功70%了，快了，再坚持下就完全OK了。做到这一步后，你可以放心大胆的装上散热片，前级MOS和后级MOS。我的前级用了4对IRFB3207，很牛的管子，12V/1000W余量也足够。后级FQA28N50，也是很牛的管子。装好之后就如图所示的这个样子。

图 组装完好的照片

还是很漂亮吧。我的电感还没绕，迫不及待的想加载试机，就外接了电感。电流互感器也没有，没装，把驱动板的电流反馈接地了。下面是我试机的情况，负载是一根1000W的太阳灯，如图所示。

图 整机测试

机器满载测试了一个多小时，很稳定，没有出现什么问题。由于有了做机器的经验，这次从调试到满载，没有炸一个管子，PCB也没有一点修改。

在这里，可以粗略计算一下效率。电参议输入线上有压降，大概损耗了5W，输出就算1000W，输入：*94=。效率：1000/=91%。这个效率不算高，我测到的最高效率在92%。这个效率也不算高，不过12V业余级别的，差不多了。

后面就是绕电感，绕共模电感，调试欠压、过压、过流保护还有温控风扇。互感器买成品，自己绕也可以，我嫌麻烦，就买成品了。传上来的PCB没发现什么问题，可以直接做。

输出电感和共模电感绕制。输出电感选用外径35mm的铁硅铝，用φ的线两根漆包线并绕120T，电感量在左右。共模电感用外径25mm的铁氧体磁环的线两根并绕20T就行，电感量在4mH左右，注意两个绕组方向要一样，不然就失去共模电感的作用了。如图所示。

图 绕好的滤波电感

把SPWM驱动板上的热敏电阻装上，10K，负温度系数的，此电阻起过热保护作用。把主板上温控风扇的热敏电阻也装上，10K，负温度系数，装上这个热敏电阻，温控风扇才有效。如图所示。

图 安装温度传感电阻

之后，再修改了一下DC-DC驱动板上欠压保护的参数，欠压保护值为，过压保护在15V左右，过流保护不好测试，只知道有用。

把R15改为22K，R1改为，R4改为3K，R7改为15K，R8改为。如图所示。

图 调整过、欠压保护电路参数

SPWM驱动板上的掉电检测电路也稍修改，加大电阻，要不然还没等到主电源掉电，那个储能电容先掉电了。如图所示。

图 调整掉电保护电路参数

温控风扇我设的开启温度比较低，可以自己改下就行了，减小温控风扇里面的R64和R69就行。调试部分到此就完了，后面就是带载测试，看机器工作状况如何了。

第四部分 带载实验

先看机器靓照吧。下面上一张装好的机器的图片，如图所示。

图 安装调试成功的作品靓照

空载测试

如图所示，空载时，输入直流电压，输入电流为445mA，所以空载功耗为：*=。这个效果一般，还不算特别小，降低直流高压可以得到更小的空载功耗。

图 空载功耗测试 图 最大输出功耗测试

最大输出功率测试

如图所示，是测试现场，3个12V/50A的电源并联，输出最大测试到1260W。

短路保护功能测试

如图所示，这个是短路时用了镊子，可以看出，镊子和输出端子上都有短路时的伤痕了。

图 输出短路测试

逆变器主要测试数据

经过测试，制作的逆变器主要数据：最高效率：92%；满载（1000W）效率：90%；最大功率限制：1300W；满载散热片温度：<50℃。驶入过压保护：15V，欠压保护。

第五部分 总结

这个正弦波逆变器从最初的设计，到后面的制作，再后面的调试，历时20多天。

最初的设计的目标：1、12V、24V、36V、48V通用；2、12V输入可长时间带载1000W；3、12V输入时最高效率大于90%；4、短路保护灵敏，可长时间短路输出而不损坏机器。

现在，几种电压通吃是可以实现的，只需要改少量参数，就可以，PCB、原理图都是通用的。

12V输入时可以长时间带载1200W，已经超越了设计目标。12V输入时最高效率为92%，也超越了设计目标。机器短路保护也是相当灵敏，多次短路（空载短路，带载短路，短路开机），均没有损坏机器，连保险都没烧一个。

从上面几点看来，这次的机器已经圆满完成了设计目标，并且还有一定的超额发挥。

关于这次公布的PCB和原理图，没什么问题，原理图上面有少量元件参数只需要按照前面说的修改就OK。PCB没有修改，喜欢的朋友可以直接做了。其他的就没什么了，收工了！

如果坛友有什么问题，欢迎提问。

我那个24V/2000W的机器是早就做出来了的，并不是和这次参赛做的一样。那个24V的机器是用磁环绕的，余量很足，上到3000W都没啥问题。

这次是用EE55做的机器，机器只需要修改部分参数就可多个电压通用，这次我只做了12V的，12V标称功率1000W，实际可长时间1200W。这次的我没做24V的，没时间了，快放假了，回家没工具，啥都做不了。

当年中专在校也折腾过一会，就读时，条件并不好，从生活费里面挤出些零钱步行去买零件，学校条件有限，板子都是先铅笔描图，然后刀刻，手都弄出好几个水泡，到毕业也没弄出自己感觉有成就感的物件，有个想法，不知道成熟不用细小总线径相同的软编织铜线绕然后浸漆，会不会省力些

用那种线很好，几乎消除了趋肤效应，一般是比较高级比较好的开关电源才会用那种线。只是如果用太粗的，漏感可能会稍大些。一个EE55在48V输入下出3000W是可能的，只是后级用单极性做3000W的话高频臂压力会比较大，建议使用像TDS2285那样高低频交替的调制方式，主板上多留的电感就是干这个事的。