基于半橋變換的數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計與研究

陳景忠

（揚州工業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

基于半橋變換的數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計與研究

陳景忠

（揚州工業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

現(xiàn)代高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源以體積小、效率高、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制設(shè)備、醫(yī)療儀器以及各種家用電器等產(chǎn)品中。主要分析了一種數(shù)控機床系統(tǒng)用開關(guān)電源的工作原理，對主變換電路等各部分電路的工作過程、器件選擇及主變壓器參數(shù)等進(jìn)行了設(shè)計研究。通過大量試驗，最終完成了該數(shù)控機床系統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制，各項指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，工作穩(wěn)定可靠。

開關(guān)電源；半橋變換；驅(qū)動；保護

現(xiàn)代高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源以效率高、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制設(shè)備、醫(yī)療儀器以及各種家用電器等產(chǎn)品中。隨著微電子工藝技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種開關(guān)電源智能控制芯片及新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，同時，開關(guān)電源用各種新型磁芯材料也應(yīng)運而生，這些使得開關(guān)電源總體逐漸向高效率、輕質(zhì)量、高集成等方向發(fā)展。

本文主要分析設(shè)計了一種數(shù)控機床系統(tǒng)用開關(guān)電源電路，其采用半橋式變換工作原理，克服了單端變換電路高頻變壓器的磁芯只工作在磁滯回線一邊的現(xiàn)象，電路抗不平衡性得到了大大增強。同時，采用脈寬調(diào)制芯片TL494作為激式驅(qū)動芯片，性價比高，調(diào)試簡單方便，工作穩(wěn)定可靠。該開關(guān)電源還設(shè)計有過壓、過流等各種保護電路。

1 開關(guān)電源電路的組成及原理

1.1 原理框圖

如圖1，輸入的交流電220 VAC經(jīng)過輸入整流濾波電路后，送入半橋式變換電路進(jìn)行高頻開關(guān)變換，再經(jīng)過高頻整流濾波電路后輸出各路電壓提供給負(fù)載使用。該開關(guān)電源共有四種輸出電壓，其技術(shù)指標(biāo)要求分別是：+5 V，25 A，誤差±1%，供主電路CPU板等使用；+15 V，4 A誤差±2%；－15 V，4 A誤差±2%，供控制電路使用；+24 V，2 A誤差±10%，供繼電器電路等使用。電源工作原理框圖如1。

圖1 數(shù)控機床系統(tǒng)開關(guān)電源原理框圖

該開關(guān)電源的穩(wěn)壓原理是通過對輸出+5 V電壓主回路取樣，并反饋至脈寬集成芯片TL494內(nèi)的誤差放大器實現(xiàn)[1]，驅(qū)動改變交替導(dǎo)通的大功率管Q1、Q2導(dǎo)通時間實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。電流取樣變壓器T2原邊串接在主變換回路中，對電流取樣，如發(fā)生過流或短路，則通過過流保護電路，讓整個變換電路停止工作。

1.2 驅(qū)動電路原理分析

圖2 數(shù)控機床系統(tǒng)開關(guān)電源驅(qū)動電路圖

TL494芯片是一種性價比較高的脈寬驅(qū)動集成電路，可通過5腳、6腳的電容、電阻方便地進(jìn)行振蕩頻率設(shè)置[2]。其內(nèi)部的兩個誤差放大器分別作為電壓反饋和電流反饋處理，內(nèi)部驅(qū)動三極管可交替導(dǎo)通或同時導(dǎo)通以提高驅(qū)動電流。圖2中外接三極管Q3、Q4以加大驅(qū)動電流交替驅(qū)動主變換回路大功率三極管Q1、Q2。當(dāng)T3次邊上繞組感應(yīng)電壓為上正下負(fù)時，驅(qū)動電壓經(jīng)二極管D4、D5驅(qū)動三極管Q1，并給電容C3充電。D6、R7為Q1導(dǎo)通加速回路，并限制流過Q1的電流以保護Q1。

當(dāng)Q1截止時，已充電的C3電容電壓經(jīng)過三極管Q1：PN結(jié)、三極管Q5：e、Q5：c回路反向放電，迅速減少Q(mào)1：PN結(jié)存儲電荷而使Q1截止，從而減小Q1恢復(fù)時間，避免在死區(qū)時間不夠的情況下，Q1、Q2出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通，燒毀電路的現(xiàn)象發(fā)生。驅(qū)動電路的下半周期，Q2導(dǎo)通，Q1截止，原理與前述相同。圖中驅(qū)動變壓器T3選EI28型高頻鐵氧體磁芯繞制。

1.3 主變換電路原理分析及計算

1.3.1 主變換電路原理分析

主變換器電路原理圖如圖3所示，輸入的交流電220 V經(jīng)輸入整流濾波后，產(chǎn)生約300 V左右的直流電壓。經(jīng)電容R1、R2、C1、C2分壓，供Q1、Q2交替半周期導(dǎo)通使用。當(dāng)Q1導(dǎo)通時，其通電回路為：

C1+→Q1：c→Q1：e→T1原邊→T3原邊→T2原邊→C2+→C2-當(dāng)Q2導(dǎo)通時，其通電回路為：

C1+→C1-→T2原邊→T3原邊→T1原邊→Q2：c→Q2：e

圖3 數(shù)控機床系統(tǒng)開關(guān)電源主變換圖

主變壓器T1次邊有～5 V，～15 V，～24 V共三組繞組，分別經(jīng)過全波整流后輸出+5 V，+15 V，－15 V，+24 V四組電壓。其中+5 V為主穩(wěn)壓回路，穩(wěn)壓電路由+5 V輸出取樣并反饋回TL494芯片誤差放大器，改變其輸出驅(qū)動脈沖寬度，最終實現(xiàn)穩(wěn)壓。其余三組繞組電壓輸出隨+5 V電壓調(diào)整而變化，15 V在整流后采用集成穩(wěn)壓器件W 7815、W 7915穩(wěn)壓，按照集成穩(wěn)壓塊工作要求，輸入輸出壓差大于3 V以上穩(wěn)定可靠，因此在交流輸入電壓187～242 V范圍內(nèi)，～15 V次邊繞組感應(yīng)電壓整流后必須大于18 V。24 V系統(tǒng)誤差要求(24±10%)V范圍內(nèi)，可適當(dāng)選取圈數(shù)滿足要求。

主變換電路中大功率三極管Q1、Q2選取MJ13070，該管參數(shù)：最大功率PD為125W，集電極電流IC為5 A，擊穿電壓BVceo為400 V，擊穿電壓BVebo為6 V，電流放大倍數(shù)β最小為8倍。上升時間tr最大僅為0.4μs，可減小開關(guān)損耗。

1.3.2 主變壓器計算及磁芯選擇

大功率管Q1、Q2作為開關(guān)器件在電路中交替導(dǎo)通，組成了半橋式開關(guān)變換器。主變換變壓器T1采用高頻鐵氧體磁芯材料EE42繞制。相關(guān)計算公式如式（1）[3]：

式中：η為變壓器效率；δ為電流密度；Bm為磁感應(yīng)強度；Q為磁芯窗口面積；S為磁芯截面積；f為開關(guān)電源工作頻率；Km為窗口銅填充系數(shù)；Kc為窗口鐵填充系數(shù)；PT為變壓器輸出功率。對本電路半橋變換而言，原次邊繞組匝比選取約為13。初級主繞組取40圈，次級+5 V繞組取3圈。為減小集膚效應(yīng)，變壓器在繞制工藝上采用Φ1.4漆包線雙線并繞或用厚0.1 mm軟黃銅皮繞制而成，并盡量使繞組參數(shù)對稱保持一致。

1.4 開關(guān)電源整流濾波電路、保護電路

高頻整流電路器件選擇恢復(fù)二極管S30SC4M實現(xiàn)+5 V回路電壓整流，該器件最大輸出電流30 A，反向最大擊穿電壓約40 V。選取BYV32進(jìn)行±15、+24 V輸出電壓整流，該器件最大輸出電流4 A，反向擊穿電壓達(dá)200 V。濾波電路采用電感電容組成的π型濾波，可有效濾除高頻整流后的交流成份。開關(guān)電源設(shè)置有過壓保護電路、過流保護電路等保護措施。電路中過壓保護電路工作原理：當(dāng)開關(guān)電源輸出取樣電路檢測+5 V輸出電壓大于5.5 V時，迅速觸發(fā)可控硅導(dǎo)通切斷變換驅(qū)動電源+15 V，使驅(qū)動信號停止工作，從而保護開關(guān)電源。電路中過流保護電路工作原理：當(dāng)串接于主變換回路原邊的電流傳感變壓器T2檢測到電路過流時，經(jīng)整流變換后送入TL494內(nèi)部誤差放大器組成的過流保護電路，經(jīng)芯片內(nèi)部驅(qū)動邏輯控制電路，封鎖驅(qū)動輸出脈沖，使變換器停止工作從而保護整個電源。

2 結(jié)論

本文主要分析了一種數(shù)控機床系統(tǒng)用開關(guān)電源的工作原理，對主變換電路等各部分電路的工作過程、器件選擇及主變壓器參數(shù)等進(jìn)行了設(shè)計研究，通過大量試驗，最終完成了該數(shù)控機床系統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制，各項指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，工作穩(wěn)定可靠。

[1]UNITRODECompany.Product&Applications Handbook[M].USA: UNITRODECompany,2003.

[2] 北京半導(dǎo)體器件五廠.最新開關(guān)集成穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)應(yīng)用手冊[M].北京：北京半導(dǎo)體器件五廠，2006.

[3] 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

Design and research of sw itching power supply based on half-bridge converter

CHEN Jing-zhong
(Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou Jiangsu 225127,China)

Modern high-frequency switching power supply with small volume,high efficiency,low noise,high reliability and other advantages have been widely used in various industrial control equipments, medical equipment and various household appliances and other products.The working principle of switching power supply for CNC machine tool system was analyzed.The main converter circuit and other parts of the working process of the circuit,device selection and main transformer parameters was designed and studied in this paper.Through a lot of experiments,the CNC machine tool system switching power supply was developed.Its various indicators meet the demand of the system with stable and reliable working.

switching power supply;half-bridge converter;drive;protection

TM 461

A

1002-087 X(2013)11-2051-02

2013-04-12

陳景忠（1965—），男，江蘇省人，碩士，高級工程師，主要研究方向為電路設(shè)計及光電控制。