一種推挽逆變車載開關電源電路設計方案

　　本文提出了一種推挽逆變車載開關電源電路設計方案。該方案在推挽逆變-高頻變壓器-全橋整流設計的基礎上，利用24VDC輸入-220VDC輸出、額定輸出功率600W的DC-DC變換器，并采用AP法設計了一種高頻推挽變壓器。最后經(jīng)實驗證明，本方案所設計的推挽變壓器特別適用于低壓大電流輸入的中小功率場合，達到了預期的效果。

　　0引言

　　隨著現(xiàn)代汽車用電設備種類的增多，功率等級的增加，所需要電源的型式越來越多，包括交流電源和直流電源。這些電源均需要采用開關變換器將蓄電池提供的+12VDC或+24VDC的直流電壓經(jīng)過DC-DC變換器提升為+220VDC或+240VDC，后級再經(jīng)過DC-AC變換器轉(zhuǎn)換為工頻交流電源或變頻調(diào)壓電源。對于前級DC-DC變換器，又包括高頻DC-AC逆變部分、高頻變壓器和AC-DC整流部分，不同的組合適應不同的輸出功率等級，變換性能也有所不同。

　　推挽逆變電路以其結(jié)構(gòu)簡單、變壓器磁芯利用率高等優(yōu)點得到了廣泛應用，尤其是在低壓大電流輸入的中小功率場合;同時全橋整流電路也具有電壓利用率高、支持輸出功率較高等特點。鑒于此，本文提出了一種推挽逆變車載開關電源電路設計方案。該方案在推挽逆變-高頻變壓器-全橋整流設計的基礎上，進一步設計了24VDC輸入-220VDC輸出、額定輸出功率600W的DC-DC變換器，并采用AP法設計相應的推挽變壓器。

　　1推挽逆變的工作原理

　　圖1給出了推挽逆變-高頻變壓-全橋整流DC-DC變換器的基本電路拓撲。通過控制兩個開關管S1和S2以相同的開關頻率交替導通，且每個開關管的占空比d均小于50%，留出一定死區(qū)時間以避免S1和S2同時導通。由前級推挽逆變將輸入直流低電壓逆變?yōu)榻涣鞲哳l低電壓，送至高頻變壓器原邊，并通過變壓器耦合，在副邊得到交流高頻高電壓，再經(jīng)過由反向快速恢復二極管FRD構(gòu)成的全橋整流、濾波后得到所期望的直流高電壓。由于開關管可承受的反壓最小為兩倍的輸入電壓，即2UI，而電流則是額定電流，所以，推挽電路一般用在輸入電壓較低的中小功率場合。

　　圖1：方案設計總體拓撲電路圖

　　當S1開通時，其漏源電壓uDS1只是一個開關管的導通壓降，在理想情況下可假定uDS1=0，而此時由于在繞組中會產(chǎn)生一個感應電壓，并且根據(jù)變壓器初級繞組的同名端關系，該感應電壓也會疊加到關斷的S2上，從而使S2在關斷時承受的電壓是輸入電壓與感應電壓之和約為2UI.在實際中，變壓器的漏感會產(chǎn)生很大的尖峰電壓加在S2兩端，從而引起大的關斷損耗，變換器的效率因受變壓器漏感的限制，不是很高。在S1和S2的漏極之間接上RC緩沖電路，也稱為吸收電路，用來抑制尖峰電壓的產(chǎn)生。并且為了給能量回饋提供反饋回路，在S1和S2兩端都反并聯(lián)上續(xù)流二極管FWD.

　　2開關變壓器的設計

　　采用面積乘積(AP)法進行設計。對于推挽逆變工作開關電源，原邊供電電壓UI=24V，副邊為全橋整流電路，期望輸出電壓UO=220V，輸出電流IO=3A，開關頻率fs=25kHz，初定變壓器效率η=0.9，工作磁通密度Bw=0.3T.

　　(1)計算總視在功率PT.設反向快速恢復二極管FRD的壓降：VDF=0.6*2=1.2V

　　3推挽逆變的問題分析

　　3.1能量回饋

　　主電路導通期間，原邊電流隨時間而增加，導通時間由驅(qū)動電路決定。

　　圖2：推挽逆變能量回饋等效電路

　　圖2(a)為S1導通、S2關斷時的等效電路，圖中箭頭為電流流向，從電源UI正極流出，經(jīng)過S1流入電源UI負極，即地，此時FWD1不導通;當S1關斷時，S2未導通之前，由于原邊能量的儲存和漏電感的原因，S1的端電壓將升高，并通過變壓器耦合使得S2的端電壓下降，此時與S2并聯(lián)的能量恢復二極管FWD2還未導通，電路中并沒有電流流過，直到在變壓器原邊繞組上產(chǎn)生上正下負的感生電壓。如圖2(b);FWD2導通，把反激能量反饋到電源中去，如圖2(c)，箭頭指向為能量回饋的方向。圖3所示為AP法設計開關變壓器電路理想工作波形。

　　圖3：開關變壓器電路理想工作波形圖