一種實(shí)用的多輸出機(jī)車(chē)直流變換器的研制

圖3中V_i是經(jīng)過(guò)濾波以后的輸入電壓。V₁和V₂是從脈寬調(diào)制器出來(lái)的兩路相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。P₁及P₃用來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，P₂用來(lái)設(shè)計(jì)反饋檢測(cè)電路。P₄及P₅用來(lái)設(shè)計(jì)切換電路。圖中功率管最大承受2倍的輸入電壓即最大270V，電流最大不超過(guò)4A，所以功率管可選用IRF460。變壓器第三路輸出N₃是為控制電路提供電源電壓特意設(shè)計(jì)的。上電初，N₃輸出為0，控制電路電源電壓由輸入電壓分壓、穩(wěn)壓（由R₁，C₁，D₃組成）提供，當(dāng)電路正常工作時(shí)，D₄截止，控制電路和保護(hù)電路等的電源電壓將由N₃輸出通過(guò)7815穩(wěn)壓器供電。

變壓器是開(kāi)關(guān)電源最主要的部分。常規(guī)設(shè)計(jì)采用一大堆繁雜的公式進(jìn)行推導(dǎo)，由于運(yùn)算量較大，難免造成結(jié)果錯(cuò)誤。鑒于此，本文采用圖表的方法對(duì)原、副邊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮管子導(dǎo)通壓降等實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)。由于變換器原邊和副邊電流都較大，所以采用多股導(dǎo)線。雙端型正激電路的具體設(shè)計(jì)如下。

n₁d_p²=；n₂d_s²=；

式中：n₁，n₂為一、二次繞組的股數(shù)；

d_p，d_s為一、二次繞組的線徑；

S_oK_o為磁芯窗口使用面積；

N_p，N_s為一、二次繞組匝數(shù)。

其中：N_p=；N_s=

U_i為輸入直流電壓；

U_1T為每匝電壓值；

U_V為整流管壓降；

D為占空比，對(duì)于雙端型電路D取0.6。

變壓器工作頻率選100kHz，所以線徑可以選0.5mm。變壓器磁芯選用EI型鐵氧體EI-50，查EI-50

的屬性對(duì)照?qǐng)D表可知窗口使用面積為48.97mm²，每匝電壓值為8.044V/匝。由此可求得：原邊匝、股

數(shù)分別為12匝，8股；副邊匝、股數(shù)分別為11匝，5股/6匝，5股。在實(shí)際調(diào)試中，變換器工作時(shí)間

一長(zhǎng)，磁芯溫度便微有升高的趨勢(shì)，并且輸出電壓比例也有些失調(diào)，經(jīng)多次微調(diào)最終將原、副邊匝數(shù)

定在12匝，10匝/5匝，在這種情況下，變壓器溫度不升高，輸出電壓也和預(yù)期值一致。

采用推挽電路特別要注意的是磁通飽和問(wèn)題。這是由于兩個(gè)功率管長(zhǎng)期導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間的不平衡性，時(shí)間一長(zhǎng)，將會(huì)造成偏磁。另外，在一個(gè)管子關(guān)斷，另一管子導(dǎo)通瞬間將會(huì)有尖峰脈沖出現(xiàn)。解決的方法可以在主電路加吸收電路，如圖3的R₄及C₂和R₅及C₃。如果輸出是復(fù)合濾波（電容電感濾波），則可以考慮在輸出端電容上串一阻值較小的電阻，便可很好地消去尖峰脈沖。

對(duì)于主電路中兩個(gè)功率管，由于交替導(dǎo)通，當(dāng)一個(gè)管子在柵極正向脈沖驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)管子已失去了柵極正向驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但是由于存貯時(shí)間的作用，第二個(gè)管子并不是立即截止，而仍處于繼續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，從而產(chǎn)生了兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通的“直通”現(xiàn)象，雖然時(shí)間很短，卻對(duì)電路危害很大。這種現(xiàn)象可用縮短關(guān)斷功率管的存貯時(shí)間來(lái)消除，避免功率管進(jìn)入深度飽和，防止對(duì)管子進(jìn)行過(guò)量的激勵(lì)。設(shè)計(jì)時(shí)可以利用一個(gè)鉗位二極管來(lái)使晶體管避免進(jìn)入深度飽和。其電路如圖3中的D1及D2所示。當(dāng)功率管一旦進(jìn)入飽和區(qū)后，鉗位二極管就把柵極的激勵(lì)電流向漏極分流而使柵極電流不再增加，這樣就防止了功率管進(jìn)入深飽和，從而減小了存貯時(shí)間。

在輸出濾波設(shè)計(jì)中，為保證幾路輸出電壓同比例變化，盡量使電感與電容比例大一些，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)平衡電路解決這個(gè)問(wèn)題。

4 直流變換器的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

機(jī)車(chē)直流變換器關(guān)系到機(jī)車(chē)用電安全問(wèn)題，為提高用電的質(zhì)量，有效地保護(hù)直流變換器，設(shè)計(jì)良好的保護(hù)電路尤為重要。由于本文設(shè)計(jì)的變換器輸入電壓有一個(gè)范圍，所以必須考慮過(guò)壓、欠壓保護(hù)。對(duì)于電路出現(xiàn)故障導(dǎo)致電流上升，還必須考慮過(guò)流保護(hù)。

直流變換器的控制芯片選用了TL494，這是由美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路，為設(shè)計(jì)良好的保護(hù)電路，要十分清楚它的資源情況。TL494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖4是它的管腳圖，其中腳1和腳2是誤差放大器I的同相和反相輸入端；腳3是相位校正和增益控制；腳4為間歇期調(diào)理，其上加0～3.3V電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2％線性變化到100％；腳5和腳6分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；腳7為接地端；腳8腳9和腳10腳11分別為T(mén)L494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極；腳12為電源供電端；腳13為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接腳14時(shí)為推挽輸出方式；腳14為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA；腳15及腳16是誤差放大器II的反相和同相輸入端。由于誤差放大器I已被設(shè)計(jì)用于反饋電路使輸出恒定，所以，保護(hù)電路必須用TL494的誤差放大器II進(jìn)行設(shè)計(jì)，即用腳15和腳16進(jìn)行欠壓、過(guò)壓以及過(guò)流保護(hù)。為保證在輸入電壓超出設(shè)計(jì)范圍時(shí)保護(hù)電路能起到良好的保護(hù)作用，本直流變換器將保護(hù)電路選在了原邊多點(diǎn)，事實(shí)證明這樣效果非常理想，如圖5所示。

圖4 TL494管腳圖