《1   引言》

1   引言

汽油变频发电机组比普通的发电机组增加了逆变器部分,逆变装置使发电机组的输出电压具有更好的稳态波形,即使在负载突变或带非线性负载下也能获得良好的动态特性。但逆变电路的工作需要附加多组低压直流电源。为了减小体积,使结构紧凑,将辅助直流电源做成开关电源的形式,不仅降低了成本,还大大降低了输出电压的纹波系数。

笔者以单相桥式逆变电路为例,介绍了一种简单有效的开关辅助电源电路,它可以提供逆变桥所需要的全部低压直流电源。电源主要构成元件为美国 Power 公司生产的 TOP Switch 三端单片开关电源。通过分析高频变压器的设计原理,设计了一台功率为 15 W 的四路直流输出的开关辅助电源。实验证明了该辅助电源的可行性。

《2   工作原理》

2   工作原理

在单相逆变器中, 4 个开关管(IGBT)需要三组相互隔离的 + 20 V 直流电源供驱动电路所用,加上控制芯片 MCS51 的 + 5 V 工作电源,辅助电源需四路直流电压输出。考虑足够的裕度,电源功率为 15 W (一组 5 V/1.8 A ,三组 20 V/1 A)。

辅助电源选用 TOP Switch 单片开关电源构成主要元件。 TOP Switch 单片开关电源是美国 Power 公司于 20 世纪 90 年代中期推出的新型高频开关电源芯片,它将高频开关电源中的 PWM 控制器和 MOSFET 功率开关管集成在同一芯片上,设有自动偏置电路、过流和过热保护电路、高压启动电路和环路补偿电路[1] ,具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、无需工频变压器等显著优点,被誉为“顶级开关电源”,极大地简化了 150 W 以下开关电源的设计和开发工作[2]

设计的开关电源原理如图 1 所示。其中选择芯片 TOP222Y (15 W ~ 25 W)可满足功率输出要求。芯片有 3 个管脚, D 为漏极, S 为源极, C 为控制端。它能根据控制极电流 IC 的大小自动调节开关占空比 D [3] ,当 IC 增大时占空比 D 减小,反之 D 增大;起始状态时 IC 为零,芯片以固定的最大占空比工作,直至 IC 逐渐增大,进入控制线性区。 ICD 的关系如图 2 所示。

《图 1》

图 1 辅助电源原理图

Fig.1 Schematic diagram of power supply

《图 2》

图 2 占空比 DIC 关系

Fig.2 Relationship between IC and duty cycle D

以下简述图 1 的工作原理。发电机组输出的交流 220 V 电压经过桥式整流,在 C1C2 上得到直流高压。后面的 DC - DC 部分为单端反激式变换器 [4] ,即当 TOP 内部的 MOSFET 开通时,初绕组流过电流,点 1 的电位高于点 2 ,点 6 的电位高于点 5 ,因此 VD7 不导通;当 TOP 内部的 MOSFET 关闭时,点 2 的电位高于点 1 ,点 5 的电位高于点 6 , VD7 导通,初绕组中储存的能量通过次级绕组释放,副边即有电压输出。 TOP 的工作频率在 100 kHz 左右,考虑到最大负载时只有 1.8 A 电流,输出只需电容滤波即可。反馈电流通过光耦 4N33 选自 5 V 支路, TOP 芯片根据反馈电流的大小自动调节开关占空比,使输出电压恒定,绕组 3 、 4 为 TOP 内部开关管提供门极偏置电压。若 5 V 输出端偏高时,流过 4N33 输入端的电流增大,则输出端即流过 TOP 控制端的电流增大,这将导致内部管的占空比自动调小,从而降低输出电压,使之降到 5 V 。由于 5 V 支路的负载较稳定,因此其余三路虽无反馈,也基本保持恒定。

《3   高频变压器的设计》

3   高频变压器的设计

《3.1 铁芯的选择》

3.1 铁芯的选择

E 形铁芯具有较低的漏感,因此采用 EI 型铁氧体铁芯。根据工作频率为 100 kHz ,传输功率为 15 W ,选用 EI28 型铁芯,以及配套的 12 管脚的骨架。

设开关电源的输入电压 uo = 230 V , = 50 Hz , P0 = 15 W , = 0.8 ,以下分别计算各绕组线圈的匝数和导线尺寸[5]

《3.2 各绕组匝数计算》

3.2 各绕组匝数计算

1)副边绕组原边绕组匝数 NP 和反馈绕组匝数 NB 都由副边绕组匝数 NS 决定,故确定 NS 是关键。对于输入电压为 230 V 交流,开关频率在 100 kHz 的开关电源,变压器的副边绕组匝数可由输出电压决定,取 NS = 0.6 匝/V ;当 V0 = 5 V 时, NS(5V) = 3 匝;当 V0 = 20 V 时,则 NS(20V)= 12 匝。

2)原边绕组

式中 VACmin 取 195 V ; Cin 为输入滤波电容,对于 15 W的电源一般取 33 tC 的典型值为 3 ms 。

式中 VDS 为 TOP 芯片的漏-源极间电压,约为 10V ; VD 为输出端整流管即 VD7 导通压降,取 0.7 V , Dmax 为最大占空比,一般取 0.6 。

3)反馈绕组

式中 VB 为反馈电压即 C6 两端的电压; VBD 为 VD6 导通压降,取 0.7 V 。

《3.3 绕组导线尺寸》

3.3 绕组导线尺寸

1)原边绕组

式中 KRP 为纹波与峰值电流比,当 uo = 230 V 时, KRP ≈ 0.6 。

由 CMA =  [200 , 500] 确定导线的 CM 。 CM可查表得到,也可根据 CM = 求得,其中 AWG 为导线规格。不同规格的导线对应不同的 CM ,根据需要选择合适的导线,使对应的 CMA (流过每安培电流对应的导线周长)值在 200 ~ 500 Cmils/A 之间即可。

此处选择 AWG 为 32 ,裸线直径为 0.20 mm 的漆包线,当 CM 为 64 时, CMA = 247.1 Cmils/A ,在 200 ~ 500 之间。

2)副边绕组应注意四路输出的功率分配,其中 5 V 支路功率大约为 9W ,占 9/15 ;每路 20 V 约 2W 。对于 5 V 输出:

由于原边绕组与副边绕组的 CMA 值应比较接近,因此由 CMS = CMA· ISRMS = 711.4 Cmils ,应选规格为 22 的导线。考虑到电流的集肤效应,导线不应太粗,可选择多股细导线并排绕制的方式。这里选择 AWG 为 28 ,裸线直径为 0.32 mm 的漆包线,其 CM 为 158.8 Cmils , 4 根导线并排绕 3 匝即可。同理可得 20 V 副边的导线 AWG 为 34 ,裸线直径为0.16 mm 的漆包线。为方便起见,也可选取同原边绕组规格相同的导线。

3)反馈绕组导线粗细不再由电流决定,而以尽可能布满整个骨架为宜,因此导线越粗越好。考虑到电流的肌肤效应,选用与 5 V 副边绕组规格相同的导线。

《4   实验结果》

4   实验结果

按图 1 所示的原理图,设计了由 TOP222Y 构成、用于单相桥式逆变器的辅助开关电源。有四路输出,其中 5 V 供控制单片用,另三路 20 V 作为驱动电源。整个电路板如图 3 所示。图中虚线内为开关辅助电源部分,负责提供一路 5 V ,三路 20 V ;交流输出的滤波电感为外接的共模电感,并未在图中。

《图 3》

图 3 电路板实图

Fig.3 Actual object of circuit board

当输入端接上 220 V 交流,且带上负载时, 5 V输出端得到了稳定的 + 5 V 直流,其余各路输出端也得到了较稳定的 + 20V 电压。当分别作为单片和各驱动电路的电源时,逆变桥工作正常。辅助电源输出的直流电压见图 4 ,逆变器输出的正弦波见图 5 。

《图 4》

图 4 辅助电源输出波形

Fig.4 Output waveform of accessory power supply

《图 5》

图 5 逆变器输出电压波形

Fig.5 Output waveform of inverter

实验证明,由 TOP Switch 单片开关电源构成的直流辅助电源,可得到多路相互隔离的输出电压,应用于单相或三相逆变器中。整个电源结构简单可靠,体积小,成本低,更加便于集整个逆变器于一体,具有很强的实用性,还可推广到其他需要直流电源的场合。