一种车载开关电源的设计
    

0引言

由于开关电源技术的不断发展,开关电源被应用到越来越广泛的领域中。不但要求电源输出电压种类多元化,输入电压也多种多样,尤其直流输入电压范围比较广泛,本文设计了一种应用在列车上的电源。

要求输入电压为dc24v±20%v,输出电压为dc110v,电流为3a。输入电压由外部电源提供,同时具有外接蓄电池功能。当(外部dc24v)输入正常时,由向电源供电,同时向蓄电池充电,并提供led 指示,当输入欠压(≤21v)、过压(≥30v)时由(蓄电池)向电源供电并提供led 指示。当蓄电池≤21v时切换到外部24v供电,并提供led 指示。供电电路原理图如图1所示。

图1供电电路原理图

当外部电压高于(30v)时,有电流流过,导通比较器1脚为低电平,灯灭,灯亮。由外接蓄电池供电。当外界蓄电池电压降至21v时,比较器的6脚电压低于5脚2.5v基准,比较器的7脚输出高电平,即比较器3脚电压高于2脚电压,即1脚为高电平,此时灯亮,灯灭,由外部电源供电。

正常供电时外部电压通过光耦向提供基极电流,同时为外接蓄电池提供了一个电子开关。的1脚为高电平,处于导通状态,光耦的光敏三极管的ce段被拉至低电平,控制继电器不工作此时灯亮,灯灭。

当外部电压低于21v时,比较器3脚电压低于2脚2.5v基准。1脚输出为低电平,截止导通,继电器工作,灯灭,灯亮。

1.主电路工作原理与设计

由于输入电压较低,负载较重所以采用推挽式变换电路。因为推挽电路比半桥、全桥电路功率开关管承受的电压高一倍,推挽功率开关管的电流减小一倍,管子损耗小。

1.1推挽变换器基本工作原理

推挽式逆变电路分共射极、共基极、共集电极三种类型。由于共射极电路变压器体积小,效率高,应用最广,所以采用共射极电路。

推挽电路如图2所示,栅极加倒相的对称激励脉冲信号,激励电压使导通,截止,则输入电源通过及变压器次级回路向负载供电。在这期间施加于截止管上的电压为2e。当激励信号消失时,两管均截止,每管承受的电压为e。同理,激励电压使导通,截止,电源通过及变压器次级回路向负载供电。在这期间施加于截止管t1上的电压也为2e。当激励信号消失时,两管又都截止,每管承受的电压为e。在上述两个过程中,输出变压器次级绕组的电压方向相反,输入直流电压变成了矩形波交流电压,完成了逆变任务。

图2推挽变换电路原理图

2.设计内容和方法

2.1功率开关管的选择和计算

功率开关管的选择主要是耐压和集电极电流。

1、 耐压的选择

功率场效应管漏源击穿电压随温度而变化,结温上升,耐压值也上升。而双极型晶体管相反,故选用功率场效应管。在实际选择功率开关管的耐压时,要考虑电压波动,干扰尖峰电压等影响,以防止二次击穿。

推挽电路功率开关管漏、源极间的电压应为二倍输入最高直流电压与干扰尖峰电压之和,即

通常考虑干扰尖峰电压为最高直流电压的(20~30)%,所以

=6v~9v

选用的场效应管即可。

2 、电流的选择

电流的选择决定于功率开关管的功耗和发热,所以通过开关管漏极最大电流应小于其极限参数。漏极电流应根据负载要求的直流功率,导通的时间及效率来确定。在选择功率开关管时,电路中有些参数,如效率、导通时间、截止时间是未知的,对于未知量可以估算或假定。

推挽变换电路:

式中,0.7~0.9 为变压器效率,这里取0.8

考虑功率开关管导通时间占空比,将计算的增大(10~30)%,最大值为25.53a,这里取irfp150。

2.2主变压器的设计

主变压器的设计是变换器中比较重要的一部分,主要是选取变压器铁心,计算绕组匝数,确定导线直径。

1、变压器铁心的选取

变压器由于工作在高频下,铁心损耗大,所以选用价格便宜、装配方便的铁氧体铁心。

在选择铁心结构时,应考虑铁心漏磁小,变压器绕制、维护方便。有利于散热等条件。在低电压大电流的变换器中,变压器绕组电流很大,导线粗不易绕制。这里采用ei型。

根据变压器次级功率确定铁心尺寸,根据变压器工作频率和效率选取铁心材料,两者综合确定铁心型号。

铁心尺寸表示式为:

式中为铁心截面

为窗口截面

为变压器次级功率

脉冲宽度

为变换器工作频率

b对于他激电路来说,为工作磁感强度,取

为导线电流密度,一般为(2~4),取3.5

为铜线在铁心窗口中的占空系数,一般为(0.2~0.5)取0.25。

为铁心占空系数,铁氧体取1。

变压器次级功率与负载要求直流功率、整流滤波电路损耗功率的关系为:

根据负载要求,计算出,便求出的乘积,然后查阅标准铁心尺寸,分别确定的值,再根据确定铁心的具体尺寸,根据确定窗口尺寸。

一个工作周期脉宽t=

半个工作周期脉宽t=

为了避免共同导通,最大脉宽必须小于8.35。设

最大脉宽:

考虑损耗,取,则

初选ei-50型铁氧体铁心,查得:

铁心面积=2.1609 ()

窗口面积=2.4690(

两者乘积=5.3353(

实际铁心的(5.3353)大于计算的3.39(),故可满足要求。

2、 绕组匝数的计算

根据铁心截面确定初级绕组的匝数,然后根据确定次级绕组匝数

他激式推挽电路:

初级绕组匝数:=(匝)

次级绕组匝数:

=

=(匝)

为变压器次级最高输出电压

为变压器初级最低输入电压

分别为整流元件及滤波扼流圈直流压降。

为考虑整流电路影响的增大系数,通常取1.1~1.2,这里取1.1

为考虑变压器内阻压降及接线熔断器等压降影响的增大系数,通常取1.2左右。

2.3整流元件计算与选择

1、 整流元件选择

对于直流变换器来说,高频变压器次级接整流滤波电路,其作用是将高频矩形波电压变成脉动符合要求的直流电压。变换器中用的整流电路有中间抽头的全波整流电路和桥式整流电路,由于中间抽头全波整流电路只用两个二极管,与桥式电路相比,可以减少二极管的内压降,提高变换器的效率。所以在满足电压要求的情况下,多数采用中间抽头全波整流电路。

整流电路输出是断续直流,所以采用电感、电容滤波电路,将输出杂音电压降低到最低水平,以满足负载的要求。

由于变换器有滤波电路,所以通过整流管的电流要考虑电感电流的影响。因此,对不同的滤波电路,整流管的选择方法不同。

在双端逆变全波整流电路中,电感滤波有续流二极管的情况,必须考虑电感续流的影响,同时还考虑死负载电流。所以通过整流管的电流,等于滤波电感电流的最大值与死负载电流之和,简单起见,在滤波电感未确定前,通过整流管的电流按(1.1~1.2)考虑,这里取1.2

即: 1.2= 1.23 = 3.6(a)

加在整流二极管上反峰值电压为变压器次级电压最大值的二倍,在考虑瞬间冲击电压的影响,需增加30%左右的富余量。在实际中,变压器输出电压不高(几伏或几十伏)时,大约按负载电压的(3.5~4)被选择整流二极管的耐压。输出110v的电源常规要求最大输出电压为121v计算,这里选负载最大电压的四倍。

即:=(v)

为提高开关速度,减小关断损耗应尽量选择反向恢复电流小,反向恢复时间短的整流元件。

选高速快恢复二极管mur1660。

2.4控制电路的选择

控制电路通常根据设计要求选择典型电路。本文选择了sg525a双端输出驱动mos功率管的电路。控制电路的原理图主要部分如图3所示。

图3控制电路原理图

sg3525a的11脚和14脚交替输出脉冲驱动mosfet管,各管脚功能如下:

脚1,2()误差放大器。误差放大器是差动输入的放大器。需将基准电压分压送至误差放大器1脚或2脚。

脚3(sync)同步。可并联多个3525a。

脚4()震荡器输出,震荡器的频率由外接阻容决定。

脚5,6()定时电容、定时电阻。

脚7(dis)放电,5、7脚间的外接电阻决定的放电。

脚8(ss)软起动,8脚可外接软起动电容。该电容由内部的的50μa恒流源充电。达到2.5v所经的时间为

脚9(comp)频率补偿,9脚与地之间可接电阻与电容,以进行频率补偿。

脚10(sd)关断,采用关断控制电路进行限流控制一般用法是将过流脉冲信号送至关闭控制端10脚。当10脚电压超过0.7v时,芯片将进行限流操作;当10脚电压超过1.4v时将使pwm锁存器关断输出,直至下一个时钟周期才能恢复。

脚11、14(outa、outb)输出a、b,图腾柱式输出级,现确定了输出电平是高电平或是低电平,可使输出级更快地关断。

脚12(gnd)地。

脚13()集电极电压。

脚15()电压输入,最大输入电压40v,当输入电压低于8v时,集成块内部电路锁定。

脚16()基准电压,精确度为5v50mv。

3.结束语

本文介绍了由sg3525a芯片作为控制电路的推挽变换电路的工作原理,推挽变换电路在一个周期里,变压器铁心的b-h磁化曲线工作在一、三象限,没有直流磁化现象,铁心利用率比较充分。高频变压器初级绕组直接施加输入电源电压e。两个绕组轮流工作,输出功率较大。此外,两个功率开关管的发射极相连,两组基极驱动电路之间无需绝缘,控制电路可以简化。

参考文献

[1] 王桂英编著 .电源变换技术.人民邮电出版社,1993年11月

[2] 张占松等编著 .开关电源的原理与设计 .电子工业出版社,1999年2月

[3]. 王兆安等编著.电力电子技术.机械工业出版社,2001年4月

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    收录时间:2014年10月21日 18:05:29 来源:电源世界 作者:李伟
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