3.5KW大功率逆变器 【星火计划】 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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专业版 3.5KW大功率逆变器 【星火计划】

简介:输入24-72V输出220V的3.5KW逆变器

开源协议: CC BY-NC-SA 4.0

(未经作者授权,禁止转载)

已参加:星火计划2023

创建时间: 2023-02-26 14:48:02
更新时间: 2024-02-25 16:30:54
描述
# 项目说明 * 3.5KW大功率逆变器(3.5kw是指长时间运行最大稳定功率) * 输入DC:24V—72V; * 两路输出AC:220V 50hz; * 两路(A口+C口)DC快充USB输出,最大功率:100W快充。 * 最大输出功率:3500W;(瞬时峰值功率3.8KW) * 输出电压显示;重量2.6kg;过载保护;短路保护;反接保护;高温保护;软启动; # 开源协议 ![CC-BY-NC-SA.png](//image.lceda.cn/pullimage/IsfHhBHNywvjQPgNenEtDzwWQNP01816Rad5snwc.png) 本工程依据 **“CC BY-SA 4.0”** 许可证进行授权, 请勿用于商业,转载请附上原文出处链接及本声明。 # 项目相关功能 本项目为DC-AC逆变器,最大功率3500W,带有快充输出最大功率100W,同时带有多种保护。重量为2.6KG,方便携带。居家旅行必备神器。 # 项目属性 本项目为首次公开,为本人原创项目。项目未曾在别的比赛中获奖。 # 项目进度 - [x] 2月27号计划项目,经过项目小组联合湖南科技大学光伏逆变以及电力电子研究生团队共同探讨方案 - [x] 3月5号确定拓扑方案,进行试验仿真测试,计算参数 - [x] 3月7号团队开始设计原理图,元器件选型 - [x] 3月12号用立创EDA专业版设计PCB - [x] 3月15号上传PCB到嘉立创生产费用102元,采购元器件860元,包括变压器,散热器以及接口等五金件。 - [x] 3月20号开始焊接 - [x] 3月22日开始调试 - [x] 3月27日第一级电压调试成功,快充电协议调试成功 - [x] 4月1日第二级升压调试成功,外壳定制成功 - [x] 4月3日第三级逆变调试成功 - [x] 4月9日整体测试完成 - [x] 元器件前前后后一共1200元 # 目录 1.设计注意事项 2.1 项目分析 2.2 第一级升压电路 2.3 第二级升压 2.4 第三级逆变 2.5 辅助供电 2.6 防反接电路 2.7 逆变小板(EG8010) 2.8 整体PCB 2.9 金属外壳 3.   实物展示 4.   主要物料清单 5.   其他 # 1.设计注意事项 ![0O1KB0JQJso6zTovQepj44o91zgVLHLIgTa3LPtK.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/QoDXWhDM7AiSxxGNQGVviWPScsknhxRenXGcn5ht.jpeg) ![4R98n0OndBNbBdeoT1sBMZqq1GMg3UiXuXVmxOYE.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/r4P4lcgo7quf3ZLe7iHBEtPjz2MDtNfPEx5WXtnY.jpeg) 设计这一款电源总共炸了前前后后20个MOS,一个MOS的价格就是一顿午餐,请大家一定要检查清楚是否有虚焊以及短路,依据我的调试经验,第一级升压以及第三级逆变是最容易成功的,难度较大的为EG1163S降压和EG1164升压,刚开始MOS的耐压不够,把后级的IP2726也烧了,大家调试的时候可以将电路板切成两半,将一半电路调试成功之后再移植到成品电路板上,这样可以降低烧毁线路的风险,因为如果你板层都烧断线了只能重新焊接,这样的工作量是巨大的,可以参考下图我们的调试方法,刚输入的电压一定要小,同时连接示波器观察波形,波形有任何畸变应该马上断开电源进行检查 # 2.设计原理 ![88plWljxenvuCQ0Q1SxSQx9T1AaMjNWtFZloSms2.png](//image.lceda.cn/pullimage/FOKPTHHgZltDBgWdwvjZJMLljXxWfSgt0ttx7UBm.png) ## 2.1项目分析 根据项目要求,我们开源发现逆变器现在的方案都比较成熟尤其是EG8010系列,但是我们仔细看要求可以发现,项目要求在24-72v宽输入直流范围内工作,由于我们的DC前级采用的是LLC调频升压,所以我们无法通过LLC的拓扑结构改变电压,这样我们就需要在后级再加一个BOOST升压,将我们的LLC输出直流升压到340V直流逆变母线电压,这样就可以符合我们的要求了,同时由于我们的功率较大,就需要使用同步整流BOOST升压提高我们的效率。整体的拓扑结构由下图所示: ![CmP72WcXUu5wRy9j8hI8aCesRNr8yqQNXyZcwx6v.png](//image.lceda.cn/pullimage/0q5LntbQrPXX5Z2e21b1ypSpRlXLVsaiNNaykz7H.png) ![mQt3RrDlK8mop4V5Dm0Jxnsr51fvYz8n855vHTBi.png](//image.lceda.cn/pullimage/Ui6ZzMOq0B9Kj8jNCjd1p0frfjAyHA2bC7OhoUo8.png) 上图为我们使用matlab进行仿真的一个初步模型,我们可以看过采用单极性SWPM正弦波调制 ![DESBDWFUkYZYDOG3AdXWYh7q1UqxutgmaoxeG2AK.png](//image.lceda.cn/pullimage/Ezvm2uVb1n6S0WAAk82kbZQdAtuzZZIWE4x2ZbkL.png) 上图为输出仿真的正弦波 ![5AUPXbMvlON5DQbTAypB0ETQSfbiF9Jzys087S4Z.png](//image.lceda.cn/pullimage/Z0xosAOqfpsReO59aFEIeF2PTiI2RGgQdMxhi3M9.png) 上图为调制的SWPM波形,根据仿真我们确定方案可行性,后续进行电路设计 ## 2.2 第一级升压电路 第一级升压采用的是LLC升压,效率较高,缺点是不可以调节电压,只能调节频率。采用全桥结构,两个mos并联,电流可以到340A, ![vo8sarpEIBHC7NVDnYv4TgfiMK4ScLErsrOIkwxb.png](//image.lceda.cn/pullimage/ohM69cU7GVn3DshzWiRzSvX1RzckTJnsmH21j3KJ.png) 变压器为2KW两个并联,输出电压和输入电压比为29:3.256 ![4Mqh4hTOe7IVo0OFkJMPw9RNSH9hQiqAB2BLJGiA.png](//image.lceda.cn/pullimage/R6quav7xk9tnnkkEbQjNwDYpRpySKFDJIGQqPl1D.png) 第一级需要使用电桥测试谐振频率,由于采用LLC拓扑结构,谐振时功率才能到最大。 ![YkMyChWnrAytWOzzS8jsb6vGCijsLOaX7YdOC3Wu.png](//image.lceda.cn/pullimage/14FliXLyIRZmBwHaqReLgrmMs4DUhRF9KU2qZeqC.png) **上图为谐振公式** ![8GGtdXoTMa44woEghZxj0kbq1y8RzofnMUKFxBFg.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/dPN2CtJtccQW7JOJ0myVwE3rGWniJYuU4nY22Ouh.jpeg) 我测试出来的频率为65.5Khz,我们调节小板子上蓝色的电位器就可以调节我们的频率了,第一级测试成功之后就可以测试第二级升压,第一级输入电压为24V时输出电压有85V左右,波形为标准的方波,同时带有死区。 ![Fzy60GJINULUllNogyEM10hvMuK90peDXkMqBKS2.png](//image.lceda.cn/pullimage/90cXOsy7mviZ11d8gX4yq4OSvEhpkkyMOUEEuvdx.png) 上图为限流的计算公式,然后还需要修改BAT电池检测电压的分压电阻,否则开机蜂鸣器会长叫(网上卖的板子都是48V),具体修改方法查看数据手册,改成10K ![v4lB1npcFaXF5gPGBygpHReuxi6lbCK2lv41kkGX.png](//image.lceda.cn/pullimage/kWDr0gJtmnAG5gfCbCADMDIFZummFMaoq3CZgnej.png) 由于MOS在高频运行情况下会有振铃信号的产生,这里我采用了一个RC吸收电路吸收高频尖峰,计算公式为电阻电容谐振公式 f=1/2πRC ![v4lB1npcFaXF5gPGBygpHReuxi6lbCK2lv41kkGX.png](//image.lceda.cn/pullimage/PxS6q0yp3UiYJFZUHTYQN711ZJFSvgnus1acbUZU.png) 上图为并联的RC吸收电路,这里**MOS管的耐压一定要在150V以上**。 ## 2.3第二级升压(同步BOOST升压) ![qK1NsfacNxonNpakYCvQ2ilxLoTGZsS592AbuDeK.png](//image.lceda.cn/pullimage/s18nKgzSCqu3LLtNNFWvUrsoXbMBapFlyeox8Fsv.png) 这一级升压调试的时候先使用低电压进行调试,我们可以测试到MOS的波形无畸变即可,如下图所示: ![aUlhC4d2a3zWpySX6MLzisOD4kpKNcvW8ohHY3XD.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/qTy9BaDEdPYbb3h4NDhu3sWWnyi0mAyShROemFvo.jpeg) 输出正常波形之后我们就可以输入一个100V,让它升压到340V,这个时候大家要注意安全,不要用手去触碰电路板,我们在示波器上看到电压上来了就可以了。 如果波形有任何的畸变和不正常,请立即关闭电源!!仔细检查线路以及元器件选型,我在自举二极管刚开始使用的是70V耐压,这里一定要用1KV耐压的快恢复二极管,否则容易击穿。 ![lxKTj1di22QB817cr932VZPrPpm58AXw5LJN2UZg.png](//image.lceda.cn/pullimage/0IFedLRiqMupPCMJHLTOlFayKGGQeXWHv71NGgtx.png) 上图为限流电阻的计算公式,这里MOS管的耐压一定要在600V以上 ## 2.4第三级逆变 第三极逆变采用经典的EG8010逆变方案,这个调试是非常简单的,开始调试之前一定要检查MOS是否有短路以及虚焊,否则容易炸管,我们在调试的时候也要注意安全,我们可以限制电流来调节第三级逆变 ![vXBuOeodCQzlxYvgcsFX89on4frGFRYu6QcjC6Qn.png](//image.lceda.cn/pullimage/QmBHRJKcMhRL8gbCYiYx1Zy32oueeBuBkpoxK1mt.png) 电位器R56为调节电压的电位器,我们可以将输出电压进行微调。我们可以用示波器一边观察波形一边调节,切记不要夹示波器的地到AC输出上,调试过程中一定要**注意安全**! 这里MOS管的耐压一定要在600V以上,同时调节方式为单极性调制,mos管的发热不均匀,需要我们进行**散热!!** ![e13r4cLF6pMYLxbRgPAi6z0KYuTlrvIk8twbNK7S.png](//image.lceda.cn/pullimage/YmqJbuagFZPmQA2OIYd4xvU7ab9YgLzGhyVt3rkL.png) 上图为EG8010的跳线设置,我们要设置成3S软启动以及500ns死区时间。 ## 2.5辅助供电 辅助电源分三个部分,第一个部分为24V-72V直流降压到12V为第一级电路提供电源。 ![FEDx62GLuct3uRZIwtXzZ55Rl0YJCVJ8sTUuOn34.png](//image.lceda.cn/pullimage/Pg3JlrXMoXGO6xAxmz2iTJMEOZ21Z6eq0Ofi3OnI.png) 第二个部分为100w快充协议芯片控制EG1163S的输出电压FB引脚从而调节快充输出电压,默认电压为5V切记不要将电阻调至20V。 第三个部分为80-200V降压模块为第二级以及第三级电路工作,要等第一级电路升压工作正常之后,第二级和第三级才会工作。 ![gH3f9iFBNHN5zUVd8VxQYnTebLTQrn7PvLCRamgm.png](//image.lceda.cn/pullimage/Q2461kyspqXx3U7Uczs4bUHhDlUquHMyuCPCcoCG.png) 上图为后级电路使用的辅助电源,价格便宜,性能稳定 ![PDeQgQJ82tzHzrgRbEiWqRuTgnmW0nUXH7wRW5bV.png](//image.lceda.cn/pullimage/yug0xS6Z4koW2XlOUcrsX4zpY0LzmsUvUgLV0V4c.png) 上图为IP2726,由于立创商城上卖的是18W的,所以得到淘宝上购买100W功率输出的IP2726 IP2726在我另外一个65W氮化镓电源里也有应用,这个芯片为DFN封装我们焊接的时候记得检查有没有虚焊。 ## 2.6防反接电路 ![2vfppHPdjbyT6m2IP6vnB3k7WHvarTMyWOrBk00A.png](//image.lceda.cn/pullimage/sWJXNdrpmPgJSwM616FK2Pr851MzOna6JIEnZhci.png) 由于我们的输入电流较大,所以我们不能用二极管来防反接,电源接到两个M3的焊盘上,负极串联一个NMOS,正接时,MOS管导通,反接时,由于电阻电压作用,MOS管G级电压为负,MOS管截止 ## 2.7逆变小板(EG8010) 逆变小板采用金手指焊接到PCB上,上面还可以接一个定制的屏幕显示参数,这个需要到淘宝上购买(EG官网旗舰店),或者使用我设计的PCB![m0jFgriwCsMmXaE84EUD1tXW6pLrRVlj6aaeUbXo.png](//image.lceda.cn/pullimage/g8fnjkjXaeq1zey9pHjM8Oj1ofVwSVVeiPJxBfGb.png)。 ## 2.8 整体PCB **PCB正面:** ![9L4lDcahGYeZWzLQmtAVy3kWlfLPE4nzYRK78dth.png](//image.lceda.cn/pullimage/3fEAfq453aDPTiq0TxSXSccXH1jHmXOAh5I1Rhcu.png) **PCB背面:** ![dxYt2Y4tME29uzeYaQY7UJnYXKoLwWczauzpyRAN.png](//image.lceda.cn/pullimage/vDQVbOVRr8IXWqegfjtp9GSBRq0zGhLLPi2QlrhA.png) 整体PCB采用双层板结构,高压部分和低压部分隔离,同时留有空隙安装散热铝块,大家可以按照我这个尺寸在淘宝上买铝块,在大电流部分我采用了开窗处理,我们要在上面焊上一层厚厚的锡。同时在安装我们PCB的时候一定要注意和底壳之间留有空隙,否则容易接触短路!!! ## 2.9 金属外壳 ![ZMm1BYg1bJ1PdJdZ1W6sn0wTBsdGOfPPxGcfKIQQ.png](//image.lceda.cn/pullimage/iMjWpfHWge5pbbA4QCPskqZVY6Hv8Tc7NpudaYUD.png) 外壳采用的是金属公模 ## 3.实物展示 ![HD47tGQsJFvYD8pG7EdfIynVHpWVBFqF1uyfh3J1.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/8PrBlx7KKICT2M2fkbIKUcUBka7Lg7CXQ41BEBVD.jpeg) ![u0p0itk7UwFUIFf9NWkN4hdHBTUfheSPPSiylZ2T.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/JTeBOfVK83AakMjOMwJCvPJvN6ZQ0sUZhaC9xmrt.jpeg) ![IIYoL6NYScwrXPDHyhP8SWhjxnmDa2YFB0ps6Dc8.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/PqsTAUPzWmfHUcxzIC0ZsRx5ph1tG02YwRxffYCU.jpeg)![5R9qNwTmorNxF7FFWQSC8y2cQ2NhU6si4yAqSxob.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/iN7uvgAxb6YCYfe4NLATnNZi97upRTn7sxdBTVrw.jpeg)![XcdWAMqQY8lqrwEBFghY7XOKKjYLJVdfJYsIz3FK.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/ZAfZyMDpPx2XomEh6S4SbJA3fPzqpS4mEAbkOVPT.jpeg) ![97QF0dQzwRFZLineJ5gh2SOAHw0KH9dFJ0jVw4zO.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/3T44iae9Iey8bzGKHnbv047vaCPQwypmhm1RCozM.jpeg) 上图为7AWG的线缆,作为逆变器的输入线缆。 ![MFAGQPSfKx2TiNHEMGly2PRca24kZKFr7N1T55Dg.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/abFkF9SPdfN7w5vrSDJmdQORZ7MQgN13SLMXVcYG.jpeg) 上图为3.3KW负载,实际测试在3.3KW左右,根据水温而定。 ![pwh7htImwIOnhkzjFP4FZwIbTPNMmL7sGzs8PwD9.jpeg](//image.lceda.cn/pullimage/pV5q7IhXBA0G6TyigIQSMeRendYHr4akkCn8F6PZ.jpeg) 上图为输出部分功率检测的计量仪 # 4.主要物料清单 | 型号 | 价格(单价) | 数量 | 价格 | 购买渠道 | | --- | --- | --- | --- | --- | | EG1164 | 2.5 | 1 | 2.5 | 淘宝(EG官方) | | EG1192L | 2.35 |1 | 2.35 | 立创商城 | | EG1163S | 4.68 | 1 | 4.68 | 立创商城 | | EGS002D | 26 | 1 | 26 | 淘宝(EG官方) | | 2KW变压器 | 50 | 2 | 100 |淘宝(EG官方) | | IRFP4568PBF | 33.13 | 8 | 265 | 立创商城 | | SE47NS65TS | 18.15 | 6 | 108.9 | 立创商城 | | L3D10065I |14.75 | 4 | 59 | 立创商城 | |金属外壳| 47.5 | 1 | 47.5| 立创商城 | |电感| 10.5 | 1 | 10.5 | 立创商城 | |EGT003| 13 | 1 | 13 | 淘宝(EG官方) | |辅助供电模块| 12 | 1 | 12 | 淘宝(EG官方) | |IP2726| 4 | 1 | 4 | 淘宝 | |线缆7AWG|20 | 1 | 20 | 淘宝 | |总价| 675.43 | # 5.演示视频 哔哩哔哩视频链接 [https://www.bilibili.com/video/BV1TM411K7zx/?vd_source=2115628cb2ad4920fc2783689dd43b85](https://www.bilibili.com/video/BV1TM411K7zx/?vd_source=2115628cb2ad4920fc2783689dd43b85)
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