车载开关电源

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。

1 主电路工作原理与设计

1．1 供电电路

该电源供电电路原理图如图1所示。

要求输入电压为DC 24(1±20％)V，输出电压为DC 110V，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V1(外部DC24V)输入正常时，由V1向电源供电，同时V1向蓄电池充电，并提供LED指示，当V1输入欠压(≤21V)、过压(≥30V)时由V2(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。

当外部电压V1高于VZ1(30V)时，Z1电流流过，T3导通比较器T4A脚1为低电平，L ED1灯灭，LED2灯亮。由外接蓄电池V2供电。当外界蓄电池电压降至21V时，比较器T

4B的脚6电压低于脚52．5V基准，比较器T4B的脚7输出高电平，即比较器T4A脚3

电压高于脚2电压，即脚1为高电平，此时LED1灯亮，LED2灯灭，由外部电源供电。

正常供电时外部电压V1通过光耦向T1提供基极电流，同时为外接蓄电池提供了一个电子开关。T4A的脚1为高电平，T2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LED1灯亮，LED2灯灭。

当外部电压V1低于21V时，比较器T4A脚3电压低于脚2的2．5V基准。脚1输出为低电平，T2截止，T1导通，继电器工作，LED1灯灭，LED2灯亮。

由于输入电压较低，而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。

1．2 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，S1、S2栅极加倒相的对称激励脉冲信号，激励电压UG1使S1导通，S2截止，则输入电源通过S1、NP1及变压器次级回路向负载供电。在这期间施加于截止管S2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UG2使S2导通，S1截止，电源通过S2、NP2及变压器次级回路向负载供电。在这期间施加于截止管S1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T副边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。

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等参数。

2．1．1 耐压的选择

功率场效应管漏源击穿电压BVDS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

其中：Emax=30V；

通常考虑干扰尖峰电压Ur为最高直流电压的(20～30)％，所以

Ur=6V～9V。

则Uds=2Emax+Ur=2×30+9≈69V

选用BVDSO≥69V的场效应管即可。

2．1．2 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IDM。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。

推挽变换电路的电流为

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Idmax增大(10～30)％，最大值为25．53 A，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。

2．2．1 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。

式中：Sc为铁心截面；

So为窗口截面；

Ps为变压器次级功率；

tON为脉冲宽度；

f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

j为导线电流密度，一般为(2~4)A／mm2，取3．5A／mm2；

Ko为铜线在铁心窗口中的占空系数，一般为(0．2~0．5)取0．25；

Kc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

Sc及So的值，再根据Sc确定铁心的具体尺寸，根据So确定窗口尺寸。

一个工作周期脉宽

半个工作周期脉宽

为了避免共同导通，最大脉宽必须小于8．35μs。设ts=1μs，tr=0．5μs

最大脉宽为tONmax=8.35-(1+0．5)=6．85μS

考虑损耗，取Ps=1．05Po，则

初选EI-50型铁氧体铁心，查得

铁心面积So=2.1609(cm2)；

窗口面积So=2．4690(cm2)；

两者乘积ScSo=5．3353(cm4)；

实际铁心的ScSo(5．3353cm4)大于计算的3．39(cm4)，故可满足要求。

2．2．2 绕组匝数的计算

根据铁心截面确定原边绕组的匝数NP，然后根据Nn确定副边绕组匝数Ns。