一種實(shí)用的多輸出機(jī)車(chē)直流變換器的研制

摘要：針對(duì)目前機(jī)車(chē)大功率直流變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易發(fā)生故障等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠的中、大功率直流變換器。介紹了該多輸出機(jī)車(chē)直流變換器的工作原理，闡述了主電路和保護(hù)電路新的設(shè)計(jì)方法，對(duì)調(diào)試中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了解決方案。實(shí)際應(yīng)用表明，該直流變換器運(yùn)行可靠，效率高，具有良好的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：實(shí)用；多輸出；直流變換器；保護(hù)電路

1    引言

    隨著科技的進(jìn)步，對(duì)早期內(nèi)燃機(jī)車(chē)上應(yīng)用的電子設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代已成必然趨勢(shì)。內(nèi)燃機(jī)車(chē)上的供電一般都由其所帶發(fā)電機(jī)提供，為把發(fā)電機(jī)的輸出電壓轉(zhuǎn)換為機(jī)車(chē)照明、無(wú)線調(diào)度等用電電壓，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置——直流變換器。目前機(jī)車(chē)上常用的多輸出直流變換器采用的是自激推挽、多級(jí)變換電路，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且極易出現(xiàn)功率管“直通”等現(xiàn)象，使用中稍有疏忽，便可能使變換器失效，給機(jī)車(chē)運(yùn)行帶來(lái)不必要的麻煩甚至安全隱患。為此，本文將探討以他激推挽電路設(shè)計(jì)多輸出直流變換器，設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用以往常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，而是一切從簡(jiǎn)練、實(shí)用出發(fā)，并對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行了非常可靠的設(shè)計(jì)——從原邊多點(diǎn)加以設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，該變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高，實(shí)用性非常強(qiáng)。

2多輸出機(jī)車(chē)直流變換器的總體介紹

    該直流變換器輸入電壓范圍為70～135V（額定值為110V），輸出為24V、50V等。輸出額定電流均為4A。由此可知輸出功率約為：P=(24＋50)4=296W，屬于中大功率型變換器，直接用正激或反激電路難以提供如此大的電流，考慮到采用半橋和全橋電路的相對(duì)復(fù)雜性，采用了他激推挽電路。其主要電路包括輸入濾波電路、輸出濾波電路、輔助電源電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路，反饋檢測(cè)電路，功率變換電路，保護(hù)電路等，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1    總體電路結(jié)構(gòu)

    變換器工作原理如下：組成控制電路的脈寬調(diào)制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可以調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制兩個(gè)功率管S₁及S₂（如圖3所示）以180°的相位差交替通斷來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，利用誤差放大器和電壓測(cè)定比較器通過(guò)光耦形成電壓閉環(huán)，輸出電壓經(jīng)過(guò)精密電阻分壓后再與基準(zhǔn)電壓比較，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比使輸出電壓跟隨誤差電壓變化而變化，假如由于某種原因（如輸入變化，負(fù)載變化等）使輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。對(duì)輸入上升情況，其穩(wěn)壓過(guò)程如圖2所示。

圖2    輸出穩(wěn)壓示意圖

    下面從直流變換器的主電路以及保護(hù)電路來(lái)闡明該變換器的設(shè)計(jì)思想以及對(duì)調(diào)試中各種易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行探討。

3    直流變換器主電路設(shè)計(jì)

    在主電路中采用的是他激推挽電路，如圖3所示。

圖3    主電路圖

    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 

圖5    保護(hù)電路示意圖

    圖5中，比較器U₁及U₃用來(lái)設(shè)計(jì)過(guò)壓與欠壓保護(hù)，那么電壓的獲取顯得很重要。以往總是設(shè)計(jì)在變壓器副邊，實(shí)際上經(jīng)過(guò)變壓器后，副邊相對(duì)原邊有一定的滯后，所以，在原邊設(shè)計(jì)過(guò)、欠壓更為合理。由于輸入電壓范圍在75～135V，所以可按兩個(gè)臨界點(diǎn)75V和135V對(duì)外圍電阻進(jìn)行合理估算，確定阻值。

    比較器U₂用來(lái)設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)，在兩開(kāi)關(guān)管的源極串上一個(gè)0.15Ω的小電阻，用來(lái)獲取過(guò)流檢測(cè)的電壓值（見(jiàn)主電路圖3的V_e處）。輸入電流以最大4A計(jì)算，當(dāng)電路工作時(shí)，功率管導(dǎo)通，漏極和源極流過(guò)的電流相等。對(duì)于圖3中0.15V小電阻的對(duì)地電壓為V_e=0.15×4=0.6V,所以，選擇適當(dāng)?shù)碾娮璞壤O(shè)計(jì)LM234的同相端電壓為0.6V左右即可。

    因?yàn)闊o(wú)論過(guò)壓、欠壓還是過(guò)流，從比較器輸出的無(wú)非兩種電平0或1，所以引入一個(gè)與非門(mén)，其輸出V_II－接到TL494比較器II的反相端（腳15），以上任何一種情況發(fā)生都將導(dǎo)致與非門(mén)輸出低電平，從而使TL494截止，電路停止工作。

    另外，必須在輸出端設(shè)計(jì)以繼電器為主的切換電路，當(dāng)變換器出現(xiàn)異常情況無(wú)法提供輸出電壓時(shí)，繼電器便動(dòng)作，將機(jī)車(chē)上用電切換到備用蓄電池，以保證機(jī)車(chē)供電的連續(xù)性。

5    有關(guān)實(shí)驗(yàn)波形

    兩個(gè)功率管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)及變壓器原邊波形分別如圖6及圖7所示。

圖6    功率管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

圖7    變壓器原邊波形

6    結(jié)語(yǔ)

    對(duì)于無(wú)法直接應(yīng)用正激或反激電路設(shè)計(jì)的中、大功率變換器，而同時(shí)又嫌用橋式電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜這一狀況，本文提供了一種以他激推挽電路為主電路的，相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，另外在主電路設(shè)計(jì)完成之后，如何設(shè)計(jì)后續(xù)電路往往容易被忽視，本文對(duì)這一方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的探索。該多輸出直流變換器已在南昌鐵路局及山東鐵路局等單位列車(chē)上運(yùn)行一年，效果良好。