基于功率場效應管控制的PWM型直流充電電源研制

2011-05-11 11:18:14王文憑馮根生李學武

通信電源技術 2011年2期

王文憑，馮根生，李學武

（蚌埠坦克學院，安徽蚌埠233050）

0 引言

現行坦克裝甲車輛的充電裝置主要采用相控式低頻可控整流式充電，該類電源不但功耗大，而且體積龐大笨重、充電質量差、可靠性低。

功率場效應管是一種單極型電壓控制器件，它不但具有自關斷能力，而且具有驅動功率小，關斷速度快等優點，是目前開關電源中常用的開關器件。采用功率場效應管控制的開關電源具有體積小、重量輕、效率高、成本低的優勢，并且能夠滿足野外裝備檢修對電源的要求。因此，較適合用作蓄電池充電電源。本文給出了一種由功率場效應管控制的大范圍連續可調的中功率穩壓電源設計實例。

1 總體結構與主電路設計

該充電電源由主電路、控制電路和保護電路三部分組成，其系統框圖如圖1所示。

工作原理如下：全橋整流將電網電壓220V整流成不可調的直流電壓約為310V。兩個等值濾波電容上的電壓分別為155V以上，經DC／AC變換器逆變之后輸出20kHz、脈寬可調的交流電壓，又經高頻變壓器的兩個副邊分正負半周送入整流濾波電路，輸出直流電壓。該電源直流輸出電壓的大小靠PWM發生器的輸出脈沖寬度來控制。主電路如圖2所示。

圖1 原理結構圖

圖2 充電電源主電路

主電路中實現DC／AC變換的關鍵元件是功率場效應管VT1和VT2。當VT1管開通，VT2截止時，電路中的電流從電容C1正極到VT1的D1－S1，再通過變壓器原邊回到電容器C1的負極形成回路，UAB為正電壓。變壓器的副邊感應電壓同名端為正，VD1導通，輸出Uo上正下負。當VT2開通，VT1關斷時，同樣可推出上述結論：Uo上正下負。Uo的大小取決于控制電路使VT1、VT2的導通時間。

2 控制電路設計

控制電路功能是實現PWM波形合成及可控DC／AC變換器的隔離驅動。脈寬PWM波形產生采用功能強大的TL494定頻調制芯片，該芯片有16個引腳，內部電路與外圍電路如圖3示。

圖3 TL494內部電路及外圍電路

TL494芯片的引腳13為高電平時，引腳8和11推挽工作，雙路輸出。該芯片的最高工作頻率為300kHz，實際工作頻率由引腳5、6所接的電阻與電容決定。本設計選擇的振蕩頻率為20kHz，鋸齒波在片內被送到比較器1和2的反相端。鋸齒波與片內的誤差放大器的輸出在PWM比較器2中比較，而死區控制電平與鋸齒波在死區時間比較器1中比較，兩者的輸出分別為一定寬度的矩形波，它們同時送到或門電路，經分頻器分頻后，再經相應的門電路去控制內部三極管交替導通，使得引腳8和11向外輸出相位互差180°的PWM波形。其工作波形如圖4所示。

圖4 工作波形

誤差放大器1的反相端（引腳2）接可調給定電壓Ug。改變Ug可改變引腳3的電壓值，從而改變PWM比較器2輸出波形的寬度，實現Uo從0～130V連續可調。

3 保護電路設計

3.1 隔離、驅動電路

VT1、VT2采用專用集成驅動模塊IR2110來驅動，隔離驅動電路如圖5所示。

圖5 IR2110驅動模塊及外部電路

3.2 過壓過流保護

為改變負載曲線，保護功率場效應管的安全運行，防止過電壓和減小du／dt，在功率場效應管的D1－S1間并入電阻、快速二極管和電容組成的過電壓吸收電路。過流信號從主電路檢出，從引腳16送向誤差放大器2的同相端，引腳15為比較基準，當出現過流時，引腳16的電壓上升，則比較器2的輸出引腳3為高電平，封鎖脈寬信號。