車載逆變器的電路原理及維修

一 市場上常見款式車載逆變器產品的主要指標
    輸入電壓：DC 10V～14.5V；輸出電壓：AC 200V～220V±10％；輸出頻率：50Hz±5％；輸出功率：70W ～150W；轉換效率：大於85％；逆變工作頻率：30kHz～50kHz。

二 常見車載逆變器產品的電路圖及工作原理
    目前市場上銷售量最大、最常見的車載逆變器的輸出功率為70W－150W，逆變器電路中主要採用TL494或KA7500晶元為主的脈寬調製電路。一款最常見的車載逆變器電路原理圖見圖1。
    車載逆變器的整個電路大體上可分為兩大部分，每部分各採用一隻TL494或KA7500晶元組成控制電路，其中第一部分電路的作用是將汽車電瓶等提供的12V直流電，通過高頻PWM (脈寬調製)開關電源技術轉換成30kHz－50kHz、220V左右的交流電；第二部分電路的作用則是利用橋式整流、濾波、脈寬調製及開關功率輸出等技術，將30kHz～50kHz、220V左右的交流電轉換成50Hz、220V的交流電。

1.車載逆變器電路工作原理
    圖1電路中，由晶元IC1及其外圍電路、三極體VT1、VT3、MOS功率管VT2、VT4以及變壓器T1組成12V直流變換為220V/50kHz交流的逆變電路。由晶元IC2及其外圍電路、三極體VT5、VT8、MOS功率管VT6、VT7、VT9、VT10以及220V/50kHz整流、濾波電路VD5－VD8、C12等共同組成220V/50kHz高頻交流電變換為220V/50Hz工頻交流電的轉換電路，最後通過XAC插座輸出220V/50Hz交流電供各種攜帶型電器使用。
    圖1中IC1、IC2採用了TL494CN(或KA7500C)晶元，構成車載逆變器的核心控制電路。TL494CN是專用的雙端式開關電源控制晶元，其尾綴字母CN表示晶元的封裝外形為雙列直插式塑封結構，工作溫度範圍為0℃-70℃，極限工作電源電壓為7V～40V，最高工作頻率為300kHz。
    TL494晶元內置有5V基準源，穩壓精度為5 V±5％ ，負載能力為10mA，並通過其14腳進行輸出供外部電路使用。TL494晶元還內置2隻NPN功率輸出管，可提供500mA的驅動能力。TL494晶元的內部電路如圖2所示。
 
    圖1電路中IC1的15腳外圍電路的R1、C1組成上電軟啟動電路。上電時電容C1兩端的電壓由0V逐步升高，只有當C1兩端電壓達到5V以上時，才允許IC1內部的脈寬調製電路開始工作。當電源斷電后，C1通過電阻R2放電，保證下次上電時的軟啟動電路正常工作。
    IC1的15腳外圍電路的R1、Rt、R2組成過熱保護電路，Rt為正溫度係數熱敏電阻，常溫阻值可在150 Ω～300Ω範圍內任選，適當選大些可提高過熱保護電路啟動的靈敏度。
    熱敏電阻Rt安裝時要緊貼於MOS功率開關管VT2或VT4的金屬散熱片上，這樣才能保證電路的過熱保護功能有效。
    IC1的15腳的對地電壓值U是一個比較重要的參數，圖1電路中U≈Vcc×R2÷ (R1+Rt+R2)V，常溫下的計算值為U≈6.2V。結合圖1、圖2可知，正常工作情況下要求IC1的15腳電壓應略高於16腳電壓(與晶元14腳相連為5V)，其常溫下6.2V的電壓值大小正好滿足要求，並略留有一定的余量。
    當電路工作異常，MOS功率管VT2或VT4的溫升大幅提高，熱敏電阻Rt的阻值超過約4kΩ時，IC1內部比較器1的輸出將由低電平翻轉為高電平，IC1的3腳也隨即翻轉為高電平狀態，致使晶元內部的PWM 比較器、“或”門以及“或非”門的輸出均發生翻轉，輸出級三極體VT1和三極體VT2均轉為截止狀態。當IC1內的兩隻功率輸出管截止時，圖1電路中的VT1、VT3將因基極為低電平而飽和導通，VT1、VT3導通后，功率管VT2和VT4將因柵極無正偏壓而處於截止狀態，逆變電源電路停止工作。
    IC1的1腳外圍電路的VDZ1、R5、VD1、C2、R6構成12V輸入電源過壓保護電路，穩壓管VDZ1的穩壓值決定了保護電路的啟動門限電壓值，VD1、C2、R6還組成保護狀態維持電路，只要發生瞬間的輸入電源過壓現象，保護電路就會啟動並維持一段時間，以確保后級功率輸出管的安全。考慮到汽車行駛過程中電瓶電壓的正常變化幅度大小，通常將穩壓管VDZ1的穩壓值選為15V或16V較為合適。
    IC1的3腳外圍電路的C3、R5是構成上電軟啟動時間維持以及電路保護狀態維持的關鍵性電路，實際上不管是電路軟啟動的控制還是保護電路的啟動控制，其最終結果均反映在IC1的3腳電平狀態上。電路上電或保護電路啟動時，IC1的3腳為高電平。當IC1的3腳為高電平時，將對電容C3充電。這導致保護電路啟動的誘因消失后，C3通過R5放電，因放電所需時間較長，使得電路的保護狀態仍得以維持一段時間。
    當IC1的3腳為高電平時，還將沿R8、VD4對電容C7進行充電，同時將電容C7兩端的電壓提供給IC2的4腳，使IC2的4腳保持為高電平狀態。從圖2的晶元內部電路可知，當4腳為高電平時，將抬高晶元內死區時間比較器同相輸入端的電位，使該比較器輸出保持為恆定的高電平，經“或”門、“或非”門后使內置的三極體VT1和三極體VT2均截止。圖1電路中的VT5和VT8處於飽和導通狀態，其後級的MOS管VT6和VT9將因柵極無正偏壓而都處於截止狀態，逆變電源電路停止工作。
    IC1的5腳外接電容C4(472)和6腳外接電阻R7(4k3)為脈寬調製器的定時元件，所決定的脈寬調製頻率為 fosc=1.1÷ (0.0047×4.3)kHz≈50kHz。即電路中的三極體VT1、VT2、VT3、VT4、變壓器T1的工作頻率均為50kHz左右，因此T1應選用高頻鐵氧體磁芯變壓器，變壓器T1的作用是將12V脈衝升壓為220V的脈衝，其初級匝數為20×2，次級匝數為380。
    IC2的5腳外接電容C8(104)和6腳外接電阻R14(220k)為脈寬調製器的定時元件，所決定的脈寬調製頻率為 fosc=1.1÷ (C8×R14)=1.1÷(0.1×220)kHz≈50Hz。
    R29、R30、R27、C11、VDZ2組成XAC插座220V輸出端的過壓保護電路，當輸出電壓過高時將導致穩壓管VDZ2擊穿，使IC2的4腳對地電壓上升，晶元IC2內的保護電路動作，切斷輸出。
    車載逆變器電路中的MOS管VT2、VT4有一定的功耗，必須加裝散熱片，其他器件均不需要安裝散熱片。當車載逆變器產品持續應用於功率較大的場合時，需在其內部加裝12V小風扇以幫助散熱。

2.電路中的元器件參數
    電路中各元器件的參數列於附表。
 

三.車載逆變器產品的維修要點
    由於車載逆變器電路一般都具有上電軟啟動功能，因此在接通電源后要等5s-30s后才會有交流220V的輸出，同時LED指示燈點亮。當LED指示燈不亮時，則表明逆變電路沒有工作。
    當接通電源30s以上，LED指示燈還沒有點亮時，則需要測量XAC輸出插座處的交流電壓值，若該電壓值為正常的220V左右，則說明僅僅是LED指示燈部分的電路出現了故障；若經測量XAC輸出插座處的交流電壓值為0，則說明故障原因為逆變器前級的逆變電路沒有工作，可能是晶元IC1內部的保護電路已經啟動。
    判斷晶元IC1內部保護電路是否啟動的方法是：用萬用表的直流電壓擋測量晶元IC1的3腳對地直流電壓值，若該電壓在1V以上則說明晶元內部的保護電路已經啟動了，否則說明故障原因是非保護電路動作所致。
    若晶元IC1的3腳對地電壓值在1V以上，表明晶元內部的保護電路已啟動時，需進一步用萬用表的直流電壓擋測試晶元IC1的15、16腳之間的直流電壓，以及晶元IC1的1、2腳之間的直流電壓。正常情況下，圖1電路中晶元IC1的15腳對地直流電壓應高於16腳對地直流電壓，2腳對地的直流電壓應高於1腳對地的直流電壓，只有當這兩個條件同時得到滿足時，晶元IC1的3腳對地直流電壓才能為正常的0V左右，逆變電路才能正常工作。若發現某測試電壓不滿足上述關係時，只需按相應支路去查找故障原因，即可解決問題。

四.車載逆變器產品的主要元器件參數及代換
    圖1電路中的主要器件有驅動管SS8550、KSP44，MOS功率開關管IRFZ48N、IRF740A，快恢復整流二極體HER306以及PWM 控制晶元TL494CN (或KA7500C)。
    SS8550為TO-92形式封裝的PNP型三極體。其引腳電極的識別方法是，當面向三極體的印字標識面時，引腳1為發射極E、2為基極B、3為集電極C。
    SS8550的主要參數指標為：BVCBO=-40V，BVCEO=-25V，VCE(S)=-0.28V， VBE(ON)=-0.66V ，fT=200MHz，ICM=1.5A，PCM=1W，TJ= 150℃ ，hFE=85～160(B)、120～200(C)、160～300(D)。
    與TO-92形式封裝的SS8550相對應的表貼器件型號為S8550LT1，其封裝形式為SOT-23。
    SS8550為目前市場上較為常見、易購的三極體，價格也比較便宜，單隻售價僅0.3元左右。
    KSP44為TO-92形式封裝的NPN型三極體。其引腳電極的識別方法是，當面向三極體的印字標識面時，其引腳1為發射極E、2為基極B、3為集電極C。
    KSP44的主要參數指標為：BVCBO=500V ，BVCEO=400V，VCE(S)=0.5V ，VBE(ON)=0.75V ，ICM=300mA ，PCM=0.625W ，TJ=150℃，hFE=40～200。
    KSP44為電話機中常用的高壓三極體，當KSP44損壞而無法買到時，可用日光燈電路中常用的三極體KSE13001進行代換。KSE13001為FAIRCHILD公司產品，主要參數為BVCBO=400V，BVCEO=400V，ICM=100mA，PCM=0.6W，hFE=40～80。KSE13001的封裝形式雖然同樣為TO-92，但其引腳電極的排序卻與KSP44不同，這一點在代換時要特別注意。KSE13001引腳電極的識別方法是，當面向三極體的印字標識面時，其引腳電極1為基極B、2為集電極C、3為發射極E。
    IRFZ48N為TO-220形式封裝的N溝道增強型MOS快速功率開關管。其引腳電極排序1為柵極G、2為漏極D、3為源極S。IRFZ48N的主要參數指標為：VDss=55V，ID=66A，Ptot=140W，TJ=175℃，RDS(ON)≤16mΩ 。
    當IRFZ48N損壞無法買到時，可用封裝形式和引腳電極排序完全相同的N溝道增強型MOS開關管IRF3205進行代換。IRF3205的主要參數為VDss=55V，ID=110A，RDS(ON)≤8mΩ。其市場售價僅為每隻3元左右。
    IRF740A為TO-220形式封裝的N溝道增強型MOS快速功率開關管。其引腳電極排序1為柵極G、2為漏極D、3為源極S。
    IRF740A的主要參數指標為：VDSS=400V ，ID=10A，Ptot=120W ，RDS(ON)≤550mΩ。
    當IRF740A損壞無法買到時，可用封裝形式和引腳電極排序完全相同的N 溝道增強型MOS 開關管IRF740B、IRF740或IRF730進行代換。IRF740、IRF740B的主要參數與IRF740A完全相同。IRF730的主要參數為VDSS=400V，ID=5.5A，RDS(ON)≤1Ω。其中IRF730的參數雖然與IRF740系列的相比略差，但對於150W以下功率的逆變器來說，其參數指標已經是綽綽有餘了。
    HER306為3A、600V的快恢復整流二極體，其反向恢復時間Trr=100ns，可用HER307(3A、800V)或者HER308(3A、1000V)進行代換。對於150W以下功率的車載逆變器，其中的快恢復二極體HER306可以用BYV26C或者最容易購買到的FR107進行代換。BYV26C為1A、600V的快恢復整流二極體，其反向恢復時間Trr=30ns；FR107為1A、1000V的快恢復整流二極體，其反向恢復時間= 100ns。從器件的反向恢復時間這一參數指標考慮，代換時選用BYV26C更為合適些。
    TL494CN、KA7500C為PWM控制晶元。對目前市場上的各種車載逆變器產品進行剖析可以發現，有的車載逆變器產品中使用了兩隻TL494CN晶元，有的是使用了兩隻KA7500C晶元，還有的是兩種晶元各使用了一隻，更為離奇的是，有的產品中居然故弄玄虛，將其中的一隻TL494CN或者KA7500C晶元的標識進行了打磨，然後標上各種古怪的晶元型號，讓維修人員倍感困惑。實際上只要對照晶元的外圍電路一看，就知道所用的晶元必定是TL494CN或者KA7500C。
    經仔細查閱、對比TL494CN、KA7500C兩種晶元的原廠pdf資料，發現這兩種晶元的外部引腳排列完全相同，就連其內部的電路也幾乎完全相同，區別僅僅是兩種晶元的內部運放輸入端的基準源大小略微有點差別，對電路的功能和性能沒有影響，因此這兩種晶元完全可以相互替代使用，並且代換時晶元的外圍電路的參數不必做任何的修改。經實際使用過程中的成功代換經驗，也證實了這種代換的可行性和代換后電路工作性能的可靠性。
    由於目前市場上已經很難找到KA7500C晶元了，並且即使能夠買到，其價格也至少是TL494CN晶元的兩倍以上，因此這裡介紹的使用TL494CN直接代換KA7500C晶元的成功經驗和方法，對於車載逆變器產品的生產廠商和廣大維修人員來說確實是一個很好的消息。