基于全桥逆变-全桥整流方案车载开关电源的研究与实现

在于实际高频变压器设计耦合系数低，均包含有漏感。
本达到预期效果。
５实验与分析
５．１实验设计
图４为简化后的功率电路，输入＋２４Ｖ直流电压，经过大电容
滤波后，接到全桥逆变电路的输入端。四个全控型开关器件ＩＧＢＴ
构成全桥逆变电路的两条桥臂，分别接在高频变压器原边两个抽
头，并在此之间加入ＲＣ吸收电路。高频变压器输出端经全桥整
２８ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
万方数据
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图１全桥逆变．高频变压．全桥整流电路结构 变压器原边，并通过变压器耦合，在副边得到交流高频高电压，再 经过由反向快速恢复二极管ＦＲＤ构成的全桥整流、滤波后得到所 期望的直流高电压。关于详细的原理描述参见文献［１】。
ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，８０ｍｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａｌｓｏ．Ｔｈｅ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ－ｂｏｒｎｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ａｌｌ ｉｄｅａｌ ｏｎｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ·－ｂｏｒｎｅ ＳＭＰＳ ｆｕｌｌ·－ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｈｉｇｈ·－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｕｌｌ··ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
图６显示的是分别驱动两条回路的两路ＰＷＭ控制脉冲波 形，此时占空比为２４．５％。
当某一ＰＷＭ脉冲上升沿到来时，其控制的回路开通，变压器原 边电流缓慢上升，正激变换。当ＰＷＭ脉冲下降沿到来时，回路关断， 此时变压器原边电流缓慢下降，由于漏感的储能作用，通过另一回 路中两个ＩＧＢＴ的反并联二极管将一部份能量回馈到电源中去，反 激变换。对于另外一路ＰＷＭ脉冲控制信号，情况相同，不同点在于 变压器原边的感生电压是反向的，见图７。
全桥逆变电路的主要优点：高频变压器只需要一个原边绕组， 通过正、反向的电压得到正、反向磁通．再在副边采用全桥整流输 出，变压器铁心和绕组得到最佳利用，使效率、功率得到提高…。全 控型开关器件在相对较为安全的情况下工作，在一般情况下最大 的反向电压不会超过电源电压以。
．全桥逆变电路的主要缺点：需要功率元件较多。在导通的回路 上，至少有两个管压降，因此功率损耗也比推挽逆变电路大ｌ倍。另 外，在能量恢复过程中，由于具有四个二极管，损耗相应增加。
《电气自动＠ｄ）２００９年第３１卷第６期
一变流技术一
．Ｃ．．．ｏ．．．ｎ．．ｖ．．．ｅ．．．ｒ．ｔ．．ｅ．．．ｒ．．．Ｔ．．．ｅ．．ｃ．．．ｈ．．．ｎ．．．ｉ．ｑ．．ｕ．．．ｅ——ｓ
基于全桥逆变．全桥整流方案车载开关电源的研 究与实现
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｌ ｍｐＩｅｍｅｎｔａｔｉＯｎ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ－ｂｏｒｎｅ ＳＭ ＰＳ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｌｌ Ｂｒｉｄｇｅ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｆｕｌｌ Ｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
【中图分类号】ＴＮ８６ ｆ文献标识码】Ｂ［文章编号】１０００．３８８６（２００９）０６．００２８．０４
１引言
随着现代汽车用电设备种类和功率等级的增加，所需要电源 的型式越来越多，包括交流电源和直流电源。这些电源均需要采 用开关变换器将蓄电池提供的＋２４ＶＤＣ的直流电压经过ＤＣ．ＤＣ 变换器提升为＋２２０ＶＤＣ或更高等级的电压，后级再经过ＤＣ—ＡＣ 变换器转换为工频交流电源或变频调压电源。对于前级ＤＣ．ＤＣ变 换器，又包括高频ＤＣ．ＡＣ逆变部分、高频变压器和ＡＣ．ＤＣ整流部 分，不同的组合适应不同的输出功率等级，变换性能也有所不同。 鉴于此，全桥逆变电路以其结构简单、变压器绕组和磁芯利用率高 等优点得到了广泛应用，尤其是输入侧低压大电流的中小功率场 合；全桥整流电路也具有电压利用率及支持输出功率较高等特点， 因此采用全桥逆变．高频变压器．全桥整流方案设计２４ＶＤＣ输 入、２２０ＶＤＣ输出、额定输出功率５００Ｗ的ＤＣ．ＤＣ变换器，并设计 出相应的高频变压器。
流，大电容滤波得到２２０Ｖ直流电压。并通过分压支路得到反馈电 压信号叽。。
以ＣＡ３５２４芯 片为核心，构成控
制电路。振荡器频
率为１０６．６ｋＨｚ，开
关频率为５３．３
ｋＨｚ。通过调节６、７
管脚间的电阻和电
容值来调节全控型
开关器件的开关频
图６移相ＰＷＭ驱动脉冲波形
率。１１、１４管脚输出
ＰＷＭ脉冲信号，并通过驱动芯片ＩＲ２１ ｌＯ，分别控制四个全控型开
ＰＩ输出
Ｖ ｌ １．７３ ２．２３ ２．６６ ３．０２ ３．３８ ３．４９ ３．７４ ３．７４
产生大小相同、方向相反的电势。注意这与实际电路中的工作情 ５．２结果与分析
况有所不同，实际中当脉冲下降沿到来时，变压器并没有立即停止
输出电压稳定在２２０Ｖ，纹波电压较小，负载调整率高。额定
工作，其原边电流是缓慢下降的，并存在能量同馈的过程，原因就 输出功率为５００Ｗ，最大输入功率接近６００Ｗ，系统效率近８０％，基
２４．Ｏ ２４．Ｏ ２４．Ｏ ２４．０ ２４．０
１２．５ １５．６ １８．５ ２１．１ ２３．７
３００ ３７４．４
４“ ５０６．４
５６８．８
２２０．０ ２２０．０ ２１８．２ ２１４．２ ２１１．５
１．１ １．３２０ １．６３５ １．８７４ ２．１１５
２００ １６６．７ １３３．３ １１４．３
ｌｏｏ
２４２ ２９０．４ ３５６．８ ４０１．４ ４４７．３
工作；类似地，当另一路脉冲ＰＷＭ２上升沿到来时，在变压器副边 到稳定输出电压２２０Ｖ的目的。
系统效率 ％
４０．７ ７４．６ ７９．９ ７９．４ ８０．７ ７７．６ ８０．４ ７８．３ ７８．６
占空比 ％
２．７ １７．６ ２４．６ ３１．６ ３６．４ ４２．６ ４４．１ ４４．４ ４４．４
＝２４×９／０．１８×３５４
＝３．４匝
（３）
考虑到原边匝数
多，变压器磁芯容易饱
和，实际中肌取２匝。
（４）每匝的伏数２４／
２＝１２Ｖ／匝，副边匝数
圈４全桥逆变－频变压．全桥整流实验功率电路
ｍ＝２２０／１２＝１８．３匝。 考虑到实际占空
比不可能达到很高，在 考虑两只整流二极管
的压降，应适当增加原
边的匝数。所以实际中
（１）
根据输入功率大小和开关频率５０ｋｌ－ｌｚ，选择Ａ１６铁氧体材料 ＥＥ５５／５５／２１铁心。据查屯＝３５４ｍｍｚ
（２）根据铁心型号ＥＥ５５／５５／２１，结合生产厂家推荐的磁感应
压、电流波形，从而预见 并分析实际电路中可能出现的问题，为实际电路实验提供有效的帮 助。利用ＯＲＣＡＤ软件进行仿真，仿真电路见图２，与实际电路设置几 乎相同。由于实际高频变压器设计耦合系数低，均包含有漏感，仿真 主要关注耦合系数为１时变换过程。采用移相ＰＷＭ控制器ＳＧｌ５２４， 功率器件的开关频率为５０ｋＨｚ，全桥逆变使得对角线上两条回路交 替工作，所以高频变压器的工作频率为１００ｋＨｚ。
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（３）在脉冲占空比 最大为４５％时，
￡。＝０．４５／５０ ｘ１０３
＝９¨ｓ。原边匝数为
／Ｖｐ＝Ｕ×ｔ。／ＡＢ×Ａ，
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卜“…；一
矗２０＿＿墨ｏＩ＿＿８．２２ｍｓ
８．２５ｍ
Ｔｈｕｅ
８．２４ｍｌ ８．２Ｓｉｎｓ
圈３触发脉冲波形与变压器副边电流波形 强度与频率的函数关系曲线，查得磁感
应密度增量为
图２全桥逆变一高频变压．全桥整流ＯＲＣＡＤ仿真电路
△Ｂ＝１８０ｍＴ＝０．１８Ｔ（２）
二Ｊ
＋
避俺性 凸｛ 。啦
３高频变压器的设计
全桥变换器的变压器设计相对比较容易～些，两个半周期都 用同一个原边绕组，磁芯和绕组使用率都很高…。
原边供电电压Ｕｉ＝２４Ｖ，副边为全桥整流电路，期望输出电压 以＝２２０Ｖ，输出电流Ｐｏ＝５００Ｗ，开关频率正＝５０ｋＨｚ，初定变压器
变流技术
！皇皇鱼壁竺丝！！！墨苎！！堂苎！塑
１…”一 卜＋’
输入功率 Ｗ ４．８
８４ １５６
输出电压
Ｖ
２２１．１ ２２１．Ｏ ２２Ｉ．０
输出电流
Ａ Ｏ．００９ ０．２７６ ０．５５３
电阻负载
ｎ ２５ｋ ８００ ４００
输出功率 Ｗ
１．９６Ｋ ６１．１ １２２．２
通过变压器耦合在副
２４．０
９．６
２３０．４
２２０．９
０．８２８
２６６．７
１８２．９
边生产电压，从而产 生电流波形；当此脉 冲下降沿到来时，回 路断开，变压器停止
关键词：车载开关电源全桥逆变高频变压全桥整流
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａ ２４ＶＤＣ－２２０ＶＤＣ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ５００Ｗ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｅｍ— ｐｌｏｙｉｎｇ ｆｕｌｌ·ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ—ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
上海交通大学电气工程系（上海２００２４０）黄春春杨喜军张哲民姜建国 （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ）；Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）Ｈｕａｎｇ Ｃｈｕｎｃｈｕｎ Ｙａｕｇ Ｘｉｊｕｎ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｍｉｎ Ｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｕｏ
摘要：为了适应车载用电设备的需求，采用全桥逆变．高频变压．全桥整流方案设计了２４、，ＤＣ输入、２２０ＶＤＣ输出、额定输出功率 ５００Ｗ的ＤＣ．ＤＣ变换器，给出了高频变压器的设计过程。在详细分析全桥逆变工作原理的基础上，提出了实际设计中的注意事 项。实验结果表明该方案是一种理想的车载ＤＣ．ＤＣ变换器设计方案。
万方数据
！皇墨皇垫些丝竺！兰苎！！堂苎！塑
变流技术一
Ｃｏｎ—ｖ—ｅｒｔ——ｅｒ Ｔｅ—ｃ—ｈｎ——ｉｑｕ—ｅ—ｓ
从图３中的仿真 波形可以看出，当某 一回路开通时，即脉 冲ＰＷＭｌ上升沿到来 时，变压器原边导通，
表１测量数据与计算数据
输入电压
Ｖ ２４．０ ２４．Ｏ ２４．０
输入பைடு நூலகம்流
Ａ Ｏ．２ ３．５ ６．５
节器，调节ＰＷＭ
图７某一ＰＷＭ脉冲与变压器原边电流波形脉冲占空比，以达
由于采用了ＩＧＢＴ（型号为ＳＧＬｌ６０Ｎ６０ＵＦ），经过计算，损耗较 大。例如在输入功率为２３０．４Ｗ时，占空比为３１．６％，开关频率保持 在５３．３ｋＨｚ。此时ＩＧＢＴ的导通损耗约为２．ＩＶ ｘ９．６Ａ×３１．６％＝ ６．３７Ｗ，４个ＩＢＧＴ总损耗为２５．４８Ｗ，产生的效率降低为１１．０５％，可 见对效率影响较大。有关输入与输出电压、电流、功率等指标见表１。
２全桥逆变的工作原理
图１给出了全桥逆变．高频变压．全桥整流ＤＣ．ＤＣ变换器 的基本电路拓扑。四个全控型开关器件Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３与ｓ４构成全桥 逆变电路的两组桥臂。其中对角线上的两个开关器件工作状态相 同。即同时关断、同时导通。开关器件Ｓｌ、Ｓ４与变压器原边构成一 组回路，开关器件Ｓ２、Ｓ３与变压器原边原边构成另一组回路，，通过 触发脉冲控制四个开关器件，使得两条回路以相同的开关频率交 替导通，且每个开关器件的占空比均小于５０％，留出一定死区时 间以避免两条回路同时导通，也就是避免变压器原边短路。由前 级全桥逆变将输入直流低电压逆变为交流高频低电压，送至高频
取Ｍ＝２３匝。
这样采用ＥＥ５５／
５５／２１铁氧体磁芯。设
计了原边２匝、副边２３
的平面变压器。
４仿真分析
利用计算机软件进
行仿真，其目的在于验
证所设计电路的正确
性，适当加以修改，并观
测电路中相关点的电
效率ｒｌ＝９０％。
图５实验控制电路与驱动电路
（１）根据输出功率、效率，求出输入功率。
只＝Ｐｏ／刀＝５００／０．９＝５５５．６Ｗ
关器件，采用单电源驱动方案。图５中仅给出了一片ＩＲ２１１０，实际
中使用两片ＩＲ２１１０以驱动四个全控型开关器件，其中在对角线上 的两个ＩＧＢＴ（如Ｓｌ与Ｓ４）驱动信号相同。
电压反馈信
号输入芯片的ｌ管 脚，通过调节电位
器Ｐ２给２管脚输
入电压反馈信号
的参考电压，并与
９管脚ＣＯＭ端连
同ＣＡ３５２４内部运
放一起构成ＰＩ调