半導體制冷冰箱電源的設計

前言

半導體制冷器件采用帕爾帖效應的制冷方法，將半導體器件作為新型綠色食品冰箱的制冷源，該冰箱具有無污染、制冷速度快、噪音低、體積小等優點。本文從半導體冰箱的電源設計方面入手，針對市場上已有的半導體冰箱，提出了一種半導體冰箱的電源設計方案。

因為半導體制冷器采用直流12V電源驅動，需要加入AC—DC變換器，考慮到所需電流比較大，所以采用高頻開關電源將85VAC—265VAC市電變為12V的直流電源，以供半導體制冷器工作。半導體制冷電冰箱需要穩定的直流電源裝置，無論是市電漲落，還是負載變化，輸出的直流電壓都需要是穩定的。該電源采用正激式變換器電路，具有輸出紋波電壓小的特性，依靠自饋電線圈泄放變壓器中的磁場能量，實現磁通復位，可減少發熱，提高效率。

一、開關電源的基本電路

其電路原理框圖（圖1）如下：

1.交流輸入，是經過由一次整流平滑部分（二極管整流橋與平滑電容器）轉換為直流電力后供應至DC—DC變換器部分。

2.DC—DC變換器電路，是經由可使直流轉換為高頻交流的逆變器與再使高頻交流二次整流平滑電路，即向負載中供應直流電。

3.控制電路部分，是執行由“比較電路”、“放大電路”以及“控制ON—OFF時間比的電路（可使相應信號控制脈寬的電路）”等所構成的逆變器部分的控制。

二、主要電路設計

電路設計原理圖（圖2）如下：

1.自激振蕩電路設計

電源工作時，220V的市電經D1—D4整流、C1濾波后，在電容C1的兩端得到300V左右的直流電壓。該電壓一路經電阻R2、R3向開關管Q3注入一定的啟動電流。另一路經開關變壓器T1的初級線圈NP加到Q3的漏極，使Q3開始導通。與此同時，T1的反饋繞組NF感應電壓的極性為上負下正，經R4、C2耦合到Q3柵極，加速了Q3的導通，并躍入飽和區。當Q3漏極電流的變化率趨于零時，反饋繞組上的感應電壓隨之消失，這樣C2由剛才的充電轉為放電，使得Q3的柵極電位逐漸下降，電流減小。隨著Q3漏極電流的減小，在反饋繞組上感應出一個上正下負的電壓，后經過R4、C2耦合到Q3的柵極，加速了Q3柵極電位的下降，使Q3很快進入截止狀態。此時，漏極電流減小為零，C1上的300V直流電壓又重新開始給Q3供電，這樣周而復始，Q3便開始了自激振蕩。

電路中的D5用來消除Q3在截止的瞬間產生的尖峰脈沖，以確保Q3不被擊穿和磁通復位。由于尖峰脈沖的能量大小與負載的輕重有關，當負荷嚴重過載或短路時，往往會波及D5，過大的脈沖能量會把它擊穿。

2. 電源穩壓電路設計

電源的穩壓環節由U1、U2、U3及外圍元件構成。反饋繞組NF感應出的交流電壓經D7整流，C3濾波之后作為光耦器U2的工作電源，開關電源的輸出電壓DC12V，既是光耦器的工作電壓，又是穩壓環節的取樣電壓。當+12V輸出電壓升高時，經R8、R9分壓后得到取樣電壓，與U3（TL431）中的2.5V帶隙基準電壓進行比較，使K點電位降低，U2中的LED的工作電流IF增大，光耦光敏控制端電流IC增大，此電流注入脈寬調制管Q12的射極電流又去控制Q13的基極，最終使Q3的輸出占空比減少，使輸出電壓維持不變，達到穩壓的目的，反之亦然。

調整R8的電阻值，可調節光耦U2內發光管電流的大小，繼而調節Q12、Q13的導通量，并控制Q3的導通時間，最終實現對輸出電壓大小的整定。

Q3導通時，開關變壓器傳輸能量，Q3截止時，T1通過回授繞組釋放能量，磁滯回線返回起始位置。次級繞組感應出的低壓高頻脈沖經過二極管D8整流，C5濾波，得到一個12V左右穩定的直流電壓，假負載電阻R10，一方面可以改善電源輕載時的電壓調整率，另一方面電源關閉后可以泄放掉C5上的電荷。

參考文獻：

［1］ ［日］原田耕介.開關電源手冊.北京：機械工業出版社，2004.

［2］ 方佩敏.精密并聯式可調輸出穩壓器.電子世界，2004. 11.