基于功率場效應(yīng)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(xué)武

通信電源技術(shù) 2011年2期

王文憑，馮根生，李學(xué)武

（蚌埠坦克學(xué)院，安徽蚌埠233050）

0 引言

現(xiàn)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(zhì)量差、可靠性低。

功率場效應(yīng)管是一種單極型電壓控制器件，它不但具有自關(guān)斷能力，而且具有驅(qū)動功率小，關(guān)斷速度快等優(yōu)點，是目前開關(guān)電源中常用的開關(guān)器件。采用功率場效應(yīng)管控制的開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、成本低的優(yōu)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(yīng)管控制的大范圍連續(xù)可調(diào)的中功率穩(wěn)壓電源設(shè)計實例。

1 總體結(jié)構(gòu)與主電路設(shè)計

該充電電源由主電路、控制電路和保護(hù)電路三部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

工作原理如下：全橋整流將電網(wǎng)電壓220V整流成不可調(diào)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(jīng)DC／AC變換器逆變之后輸出20kHz、脈寬可調(diào)的交流電壓，又經(jīng)高頻變壓器的兩個副邊分正負(fù)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(fā)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(jié)構(gòu)圖

圖2 充電電源主電路

主電路中實現(xiàn)DC／AC變換的關(guān)鍵元件是功率場效應(yīng)管VT1和VT2。當(dāng)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(fù)極形成回路，UAB為正電壓。變壓器的副邊感應(yīng)電壓同名端為正，VD1導(dǎo)通，輸出Uo上正下負(fù)。當(dāng)VT2開通，VT1關(guān)斷時，同樣可推出上述結(jié)論：Uo上正下負(fù)。Uo的大小取決于控制電路使VT1、VT2的導(dǎo)通時間。

2 控制電路設(shè)計

控制電路功能是實現(xiàn)PWM波形合成及可控DC／AC變換器的隔離驅(qū)動。脈寬PWM波形產(chǎn)生采用功能強(qiáng)大的TL494定頻調(diào)制芯片，該芯片有16個引腳，內(nèi)部電路與外圍電路如圖3示。

圖3 TL494內(nèi)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(shè)計選擇的振蕩頻率為20kHz，鋸齒波在片內(nèi)被送到比較器1和2的反相端。鋸齒波與片內(nèi)的誤差放大器的輸出在PWM比較器2中比較，而死區(qū)控制電平與鋸齒波在死區(qū)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(jīng)分頻器分頻后，再經(jīng)相應(yīng)的門電路去控制內(nèi)部三極管交替導(dǎo)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(diào)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(xiàn)Uo從0～130V連續(xù)可調(diào)。

3 保護(hù)電路設(shè)計

3.1 隔離、驅(qū)動電路

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

圖5 IR2110驅(qū)動模塊及外部電路

3.2 過壓過流保護(hù)

為改變負(fù)載曲線，保護(hù)功率場效應(yīng)管的安全運(yùn)行，防止過電壓和減小du／dt，在功率場效應(yīng)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(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)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。

4 實驗結(jié)果及實物

根據(jù)實物測定，電源在輸入電壓為交流220V±15%，輸入頻率45～63Hz時，輸出電流為0～30A（連續(xù)可調(diào)），電壓為0～130V（連續(xù)可調(diào)），調(diào)節(jié)精度1／200，完全符合為裝甲裝備和工業(yè)蓄電池充電的要求，實物如圖6所示。