一種車載開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

0 引言

　　由于開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源被應(yīng)用到越來越廣泛的領(lǐng)域中。不但要求電源輸出電壓種類多元化，輸入電壓也多種多樣，尤其直流輸入電壓范圍比較廣泛，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在列車上的電源。

1 主電路工作原理與設(shè)計(jì)
1．1 供電電路

　　該電源供電電路原理圖如圖1所示。

　　要求輸入電壓為DC 24(1±20％)V，輸出電壓為DC 110V，電流為3A。輸入電壓由外部電源提供，同時(shí)具有外接蓄電池功能。當(dāng)V1(外部DC24V)輸入正常時(shí)，由V1向電源供電，同時(shí)V1向蓄電池充電，并提供LED指示，當(dāng)V1輸入欠壓(≤21V)、過壓(≥30V)時(shí)由V2(蓄電池)向電源供電并提供LED指示。當(dāng)蓄電池≤21V時(shí)切換到外部24V供電，并提供LED指示。

　　當(dāng)外部電壓V1高于VZ1(30V)時(shí)，Z1電流流過，T3導(dǎo)通比較器T4A腳1為低電平，LED1燈滅，LED2燈亮。由外接蓄電池V2供電。當(dāng)外界蓄電池電壓降至21V時(shí)，比較器T4B的腳6電壓低于腳52．5V基準(zhǔn)，比較器T4B的腳7輸出高電平，即比較器T4A腳3電壓高于腳2電壓，即腳1為高電平，此時(shí)LED1燈亮，LED2燈滅，由外部電源供電。

　　正常供電時(shí)外部電壓V1通過光耦向T1提供基極電流，同時(shí)為外接蓄電池提供了一個(gè)電子開關(guān)。T4A的腳1為高電平，T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，光耦的光敏三極管的CE段被拉至低電平，控制繼電器不工作此時(shí)LED1燈亮，LED2燈滅。

　　當(dāng)外部電壓V1低于21V時(shí)，比較器T4A腳3電壓低于腳2的2．5V基準(zhǔn)。腳1輸出為低電平，T2截止，T1導(dǎo)通，繼電器工作，LED1燈滅，LED2燈亮。

　　由于輸入電壓較低，而負(fù)載較重所以采用推挽式變換電路。因?yàn)橥仆祀娐繁劝霕颉⑷珮螂娐饭β书_關(guān)管承受的電壓高一倍，推挽功率開關(guān)管的電流減小一倍，管子損耗小。

1．2 推挽變換器基本工作原理

　　推挽式逆變電路分共射極、共基極、共集電極三種類型。由于共射極電路變壓器體積小，效率高，應(yīng)用最廣，所以采用共射極電路。

　　推挽電路如圖2所示，S1、S2柵極加倒相的對(duì)稱激勵(lì)脈沖信號(hào)，激勵(lì)電壓UG1使S1導(dǎo)通，S2截止，則輸入電源通過S1、NP1及變壓器次級(jí)回路向負(fù)載供電。在這期間施加于截止管S2上的電壓為2E。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)消失時(shí)，兩管均截止，每管承受的電壓為E。同理，激勵(lì)電壓UG2使S2導(dǎo)通，S1截止，電源通過S2、NP2及變壓器次級(jí)回路向負(fù)載供電。在這期間施加于截止管S1上的電壓也為2E。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)消失時(shí)，兩管又都截止，每管承受的電壓為E。在上述兩個(gè)過程中，輸出變壓器T副邊繞組的電壓方向相反，輸入直流電壓變成了矩形波交流電壓，完成了逆變?nèi)蝿?wù)。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法
2．1 功率開關(guān)管的選擇和計(jì)算

　　功率開關(guān)管的選擇主要是耐壓和集電極電流等參數(shù)。

2．1．1 耐壓的選擇

　　功率場(chǎng)效應(yīng)管漏源擊穿電壓BVDS隨溫度而變化，結(jié)溫上升，耐壓值也上升。而雙極型晶體管相反，故選用功率場(chǎng)效應(yīng)管。在實(shí)際選擇功率開關(guān)管的耐壓時(shí)，要考慮電壓波動(dòng)，干擾尖峰電壓等影響，以防止二次擊穿。

　　推挽電路功率開關(guān)管漏、源極間的電壓應(yīng)為二倍輸入最高直流電壓與干擾尖峰電壓之和，即

其中：Emax=30V；

　　通?？紤]干擾尖峰電壓Ur為最高直流電壓的(20～30)％，所以
　　Ur=6V～9V。
　　則Uds=2Emax+Ur=2×30+9≈69V
　　選用BVDSO≥69V的場(chǎng)效應(yīng)管即可。

2．1．2 電流的選擇

　　電流的選擇決定于功率開關(guān)管的功耗和發(fā)熱，所以通過開關(guān)管漏極最大電流應(yīng)小于其極限參數(shù)IDM。漏極電流應(yīng)根據(jù)負(fù)載要求的直流功率，導(dǎo)通的時(shí)間及效率來確定。在選擇功率開關(guān)管時(shí)，電路中有些參數(shù)，如效率、導(dǎo)通時(shí)間、截止時(shí)間是未知的，對(duì)于未知量可以估算或假定。

　　推挽變換電路的電流為

式中：0．7～0．9為變壓器效率，這里取0．8。

　　考慮功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間占空比，將計(jì)算的Idmax增大(10～30)％，最大值為25．53A，這里取IRFP150。

2．2 主變壓器的設(shè)計(jì)

　　主變壓器的設(shè)計(jì)是變換器中比較重要的一部分，主要是選取變壓器鐵心，計(jì)算繞組匝數(shù)，確定導(dǎo)線直徑。

2．2．1 變壓器鐵心的選取

　　變壓器由于工作在高頻下，鐵心損耗大，所以選用價(jià)格便宜、裝配方便的鐵氧體鐵心。

　　在選擇鐵心結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮鐵心漏磁小，變壓器繞制、維護(hù)方便，有利于散熱等條件。在低電壓大電流的變換器中，變壓器繞組電流很大，導(dǎo)線粗不易繞制。這里采用EI型。

　　根據(jù)變壓器次級(jí)功率確定鐵心尺寸，根據(jù)變壓器工作頻率和效率選取鐵心材料，兩者綜合確定鐵心型號(hào)。

式中：Sc為鐵心截面；
　　So為窗口截面；
　　Ps為變壓器次級(jí)功率；
　　tON為脈沖寬度；
　　f為變換器工作頻率；
　　B對(duì)于他激電路來說，為工作磁感強(qiáng)度，取
　　j為導(dǎo)線電流密度，一般為(2~4)A／mm2，取3．5A／mm2；
　　Ko為銅線在鐵心窗口中的占空系數(shù)，一般為(0．2~0．5)取0．25；
　　Kc為鐵心占空系數(shù)，鐵氧體取1。
　　變壓器次級(jí)功率與負(fù)載要求直流功率、整流濾波電路損耗功率的關(guān)系為

　　根據(jù)負(fù)載要求，計(jì)算出Ps，便求出ScSo的乘積，然后查閱標(biāo)準(zhǔn)鐵心尺寸，分別確定Sc及So的值，再根據(jù)Sc確定鐵心的具體尺寸，根據(jù)So確定窗口尺寸。

　　一個(gè)工作周期脈寬
　　半個(gè)工作周期脈寬
　　為了避免共同導(dǎo)通，最大脈寬必須小于8．35μs。設(shè)ts=1μs，tr=0．5μs
　　最大脈寬為tONmax=8.35-(1+0．5)=6．85μS
　　考慮損耗，取Ps=1．05Po，則

　　初選EI-50型鐵氧體鐵心，查得
　　鐵心面積So=2.1609(cm2)；
　　窗口面積So=2．4690(cm2)；
　　兩者乘積 ScSo=5．3353(cm4)；
　　實(shí)際鐵心的ScSo(5．3353cm4)大于計(jì)算的3．39(cm4)，故可滿足要求。

2．2．2 繞組匝數(shù)的計(jì)算

　　根據(jù)鐵心截面確定原邊繞組的匝數(shù)NP，然后根據(jù)Nn確定副邊繞組匝數(shù)Ns。
　　根據(jù)他激式推挽電路可以得出
　　初級(jí)繞組匝數(shù)NP為

取Np=8匝。

次級(jí)繞組匝數(shù)N為

　　取Ns=57匝
式中：Usmax為變壓器次級(jí)最高輸出電壓；
　　Upmin為變壓器初級(jí)最低輸入電壓；
　　UF、Ur分別為整流元件及濾波扼流圈直流壓降；
　　K1為考慮整流電路影響的增大系數(shù)，通常取1．1～1．2，這里取1．1；
　　K2為考慮變壓器內(nèi)阻壓降及接線熔斷器等壓降影響的增大系數(shù)，通常取1．2左右。

2．3 整流元件計(jì)算與選擇
2．3．1 整流元件選擇

　　對(duì)于直流變換器來說，高頻變壓器副邊接整流濾波電路，其作用是將高頻矩形波電壓變成脈動(dòng)符合要求的直流電壓。變換器中用的整流電路有中間抽頭的全波整流電路和橋式整流電路，由于中間抽頭全波整流電路只用兩個(gè)二極管，與橋式電路相比，可以減少二極管的內(nèi)壓降，提高變換器的效率。所以在滿足電壓要求的情況下，多數(shù)采用中間抽頭全波整流電路。

　　整流電路輸出是斷續(xù)直流，所以采用電感、電容濾波電路，將輸出雜音電壓降低到最低水平，以滿足負(fù)載的要求。

　　由于變換器有濾波電路，所以通過整流管的電流要考慮電感電流的影響。因此，對(duì)不同的濾波電路，整流管的選擇方法不同。

　　在雙端逆變?nèi)ㄕ麟娐分?，電感濾波有續(xù)流二極管的情況，必須考慮電感續(xù)流的影響，同時(shí)還考慮死負(fù)載電流。所以通過整流管的電流，等于濾波電感電流的最大值與死負(fù)載電流之和，簡(jiǎn)單起見，在濾波電感未確定前，通過整流管的電流按(1．1～1．2)Io考慮，這里取1．2Io即

　　1．2Io=1．2×3=3．6(A)

　　加在整流二極管上反峰值電壓為變壓器副邊電壓最大值的二倍，在考慮瞬間沖擊電壓的影響，需增加30％左右的富余量。在實(shí)際中，變壓器輸出電壓不高(幾伏或幾十伏)時(shí)，大約按負(fù)載電壓的(3．5～4)倍選擇整流二極管的耐壓。輸出110V的電源常規(guī)要求最大輸出電壓為121V計(jì)算，這里選負(fù)載最大電壓的4倍，即

　　4Uo=4×121=484(V)

　　為提高開關(guān)速度，減小關(guān)斷損耗應(yīng)盡量選擇反向恢復(fù)電流小，反向恢復(fù)時(shí)間短的整流元件。

　　最后選高速快恢復(fù)二極管MUR16600。

2．4 控制電路的選擇

　　控制電路通常根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇典型電路。本文選擇了SG525A雙端輸出驅(qū)動(dòng)MOS功率管的電路?？刂齐娐返脑韴D主要部分如圖3所示。

　　SG3525A的腳11和腳14交替輸出脈沖驅(qū)動(dòng)MOSFET管，該控制芯片各管腳功能如下。
　　腳1，2(IN_，IN+)誤差放大器 誤差放大器是差動(dòng)輸入的放大器。需將基準(zhǔn)電壓分壓送至誤差放大器腳1或腳2。
　　腳3(SYNC)同步 可并聯(lián)多個(gè)3525A。
　　腳4(OUTOSC)震蕩器輸出 震蕩器的頻率由外接阻容RT、CT決定。
　　腳5，6(CT，RT)定時(shí) 連接定時(shí)電容、定時(shí)電阻。
　　腳7(DIS)放電 腳5和腳7間的外接電阻決定CT的放電。
　　腳8(SS)軟起動(dòng) 腳8可外接軟起動(dòng)電容。該電容由內(nèi)部的Vref的50μA恒流源充電。達(dá)到2．5V所經(jīng)的時(shí)間為
　　腳9(COMP)頻率補(bǔ)償 腳9與地之間可接電阻與電容，以進(jìn)行頻率補(bǔ)償。
　　腳10(SD)關(guān)斷 采用關(guān)斷控制電路進(jìn)行限流控制一般用法是將過流脈沖信號(hào)送至關(guān)閉控制端(腳10)。當(dāng)腳10電壓超過0．7V時(shí)，芯片將進(jìn)行限流操作；當(dāng)腳10電壓超過1．4V時(shí)將使PWM鎖存器關(guān)斷輸出，直至下一個(gè)時(shí)鐘周期才能恢復(fù)。
　　腳11、14(OUTA、OUTB)輸出A、B 圖騰柱式輸出級(jí)，現(xiàn)確定了輸出電平是高電平或是低電平，可使輸出級(jí)更快地關(guān)斷。
腳12(GND)地。

　　 腳13(Vc)集電極電壓。
　　腳15(VI)電壓輸入 最大輸入電壓40V，當(dāng)
　　輸入電壓低于8V時(shí)，集成塊內(nèi)部電路鎖定。
　　腳16(VREF)基準(zhǔn)電壓 精確度為5V／50mV。

3 結(jié)語

　　本文介紹了由SG3525A芯片作為控制電路的推挽變換電路的工作原理，推挽變換電路在一個(gè)周期里，變壓器鐵心的B-H磁化曲線工作在一、三象限，沒有直流磁化現(xiàn)象，鐵心利用率比較充分。高頻變壓器原邊繞組直接施加輸入電源電壓E。兩個(gè)繞組輪流工作，輸出功率較大。此外，兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，兩組基極驅(qū)動(dòng)電路之間無需絕緣，控制電路可以簡(jiǎn)化。