石油工業(yè)中小功率反激式開關(guān)電源的研究

北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司 姚曉兵

?

石油工業(yè)中小功率反激式開關(guān)電源的研究

北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司 姚曉兵

電源應(yīng)用是電力電子技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，在石油工業(yè)中，需要各種各樣的智能電器設(shè)備。作為智能電器的一種，小功率反激式開關(guān)電源具有能耗小、效率、穩(wěn)壓范圍寬、質(zhì)量輕和體積小等特點，得到了廣泛的應(yīng)用，本文重點對其工作原理、吸收電路、參數(shù)計算等進行了論述。

開關(guān)電源；反激式；石油工業(yè)

1　反激式變換器的工作原理

反激式變化器的工作原理圖，見圖1：

圖1　反激變換器的原理圖

當(dāng)有源開關(guān)Q導(dǎo)通時，變壓器原邊電流增加，會產(chǎn)生上正下負的感應(yīng)電動勢。而在副邊產(chǎn)生下正上負的感應(yīng)電動勢，如圖所示，無源開關(guān) VD1 因反偏而截止，輸出由電容C向負載提供能量，而原邊則從電源吸收電能，儲存于磁路中。當(dāng)有源開關(guān)Q截止時，由于變壓器磁路中的磁通不能突變，所以在原邊會感應(yīng)出上負下正的感應(yīng)電動勢，而在副邊會感應(yīng)出上正下負的感應(yīng)電動勢，故VD1 正偏而導(dǎo)通，如圖所示，此時磁路中的存儲的能量轉(zhuǎn)到副邊，并經(jīng)二極管VD1向負載供電，同時補充濾波電容C在前一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開關(guān)Q導(dǎo)通時給負載提供能量外，還用來限制輸出電壓上的開關(guān)頻率紋波分量，使之遠小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。這就是反激式變換器的工作原理。

2　反激式變換器的吸收電路介紹

實際反激變換器會有各種寄生參數(shù)的存在，如變壓器的漏感，開關(guān)管的源漏極電容。所以基本反激變換器在實際應(yīng)用中是不能可靠工作的，其原因是變壓器漏感在開關(guān)Q截止時，沒有滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一個漏感的去磁電路，但因漏感的能量一般很小，所以習(xí)慣上將這種去磁電路稱為吸收電路，目的是將開關(guān)Q的電壓鉗位到合理的數(shù)值。在220V AC輸入的小功率開關(guān)電源中，常用的吸收電路主要有RCD吸收電路和三繞組吸收電路。

3　設(shè)計參數(shù)的計算

在本次設(shè)計中提供的變壓器的鐵芯是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導(dǎo)率為，鐵芯的初始磁導(dǎo)率為。

變壓器選擇的相關(guān)參數(shù)包括：原副邊匝數(shù)比、原邊匝數(shù)NS、副邊匝數(shù)和氣隙，本次設(shè)計中用到的變壓器的繞組的漆包線已經(jīng)給定，無需選擇。

3.1原副邊匝數(shù)比及其匝數(shù)的確定

根據(jù)實習(xí)任務(wù)的要求；需要的直流輸出電壓為8V和6V，由器件本身的參數(shù)可以知道其耐壓。

一般來說開關(guān)管的耐壓需要在這個基礎(chǔ)之上留下至少30%的裕量。假設(shè)開關(guān)管的耐壓極限為：

為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲能和放電總時間應(yīng)該控制在0.8T以內(nèi)，所以：

3.2原副邊匝數(shù)的計算

3.3氣隙長度的計算

所以可以得到：

其中有以下關(guān)系；

則原邊的峰值電流為：

帶入上式可以得到初級電感。

氣隙的長度為：

4　控制系統(tǒng)的設(shè)計

4.1振蕩器

4.2電壓誤差放大器

在本次設(shè)計中在輸入與輸

出的隔離開關(guān)電源中，為了減小誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將U3845的內(nèi)部誤差放大器旁路掉。

4.3電流比較器

（1）UC3845

UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應(yīng)用設(shè)計。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達500千赫輸出開關(guān)頻率；在反激式應(yīng)用中最大占空比為0.5；輸出靜區(qū)時間從50%～70%可調(diào)；自動前饋補償；鎖存脈寬調(diào)制，用于逐周期限流；內(nèi)部微調(diào)的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出；

輸入欠壓鎖定，帶滯后；啟動及工作電流低。

（2）TL431（見圖2）

TL431是一個良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）、參考端（REF）。其芯片體積小、基準電壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點，所以可以用來制作多種穩(wěn)壓器件。

其具體功能可用圖中的功能模塊示意。由圖可看出，是一個內(nèi)部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。由運放特性可知，只有當(dāng)REF端的電壓十分接近VI時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管，電流將從1到100mA變化。

圖2　TL431的功能模塊示意圖

　圖3 PC817內(nèi)部框圖

在開關(guān)電源設(shè)計中，一般輸出經(jīng)過TL431（可控分流基準）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動一個光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調(diào)整一個電流模式的PWM控制器的開關(guān)時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。

（3）PC817（見圖3）

PC817是一個比較常用的光電耦合器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，其中腳1為陽極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。在開關(guān)電源中，當(dāng)電流流過光二極管時，二極管發(fā)光感應(yīng)三極管，對輸出進行精確的調(diào)整，從而控制UC3842的工作。同時PC817光電耦合器不但可起到反饋作用還可以起到隔離作用。

5　實際設(shè)計中的一些技巧

（1）電路焊接完成初次調(diào)試時，空載穩(wěn)壓輸出10V可以實現(xiàn)，但是帶負載時電路沒有輸出。

經(jīng)過檢測輔助繞組邊為UCB3845芯片供電回路的穩(wěn)壓二極管兩端的電壓為7.9V，未達到供電的8.5V，嘗試修改Ra1的阻值使電壓達到，但是都沒有太大變化。于是需要修改變壓器輔助繞組的匝數(shù)，由之前的5匝改為7匝，測試后燒壞了穩(wěn)壓管，于是將匝數(shù)調(diào)整成6匝，最后是二極管兩側(cè)電壓為穩(wěn)定的11.4V，實現(xiàn)了帶負載時的穩(wěn)壓輸出。

（2）過流保護時采樣電阻的選取，電阻大時限流值大，帶1A負載時壓降小；反之限流值小，壓降大，合適值很難選取。

穩(wěn)壓時芯片3管腳采用了104的電容，電流達到2A時仍沒有過流保護。于是選用了471的電容，但是在未達到1A時壓降就產(chǎn)生而且在1A時很大，限流值也無法滿足要求。所以又選用了電容較大的472，采樣電阻在1到5Ω變化時電壓均可以穩(wěn)住但無法限流，又將電阻改為12Ω時限流產(chǎn)生但壓降過大，后來有逐步減小電阻，最后測量6.7Ω時壓降為2V左右，限流值達到1.6A，但是未精確達到要求。

6　總結(jié)

在石油工業(yè)中，智能化是一個發(fā)展趨勢，各種各樣的電器都離不開電源。作為電源的一種主要形式，反激式開關(guān)電源在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，從便于使用的角度，掌握其工作原理、吸收電路、參數(shù)技術(shù)，具有一定的必要性。

［1］宋斌斌，王惠鐸，張挺.先進電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2015（21）.

［2］張莉.先進電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究［J］.吉林省教育學(xué)院學(xué)報（中旬），2015（09）.

姚曉兵（1974-），男，陜西扶風(fēng)人，大學(xué)本科，北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司工程師，研究方向：測井儀器。