基于功率场效应管控制的PWM型直流充电电源研制

2011-05-11王文凭冯根生李学武

通信电源技术 2011年2期

王文凭，冯根生，李学武

（蚌埠坦克学院，安徽蚌埠233050）

0 引言

现行坦克装甲车辆的充电装置主要采用相控式低频可控整流式充电，该类电源不但功耗大，而且体积庞大笨重、充电质量差、可靠性低。

功率场效应管是一种单极型电压控制器件，它不但具有自关断能力，而且具有驱动功率小，关断速度快等优点，是目前开关电源中常用的开关器件。采用功率场效应管控制的开关电源具有体积小、重量轻、效率高、成本低的优势，并且能够满足野外装备检修对电源的要求。因此，较适合用作蓄电池充电电源。本文给出了一种由功率场效应管控制的大范围连续可调的中功率稳压电源设计实例。

1 总体结构与主电路设计

该充电电源由主电路、控制电路和保护电路三部分组成，其系统框图如图1所示。

工作原理如下：全桥整流将电网电压220V整流成不可调的直流电压约为310V。两个等值滤波电容上的电压分别为155V以上，经DC／AC变换器逆变之后输出20kHz、脉宽可调的交流电压，又经高频变压器的两个副边分正负半周送入整流滤波电路，输出直流电压。该电源直流输出电压的大小靠PWM发生器的输出脉冲宽度来控制。主电路如图2所示。

图1 原理结构图

图2 充电电源主电路

主电路中实现DC／AC变换的关键元件是功率场效应管VT1和VT2。当VT1管开通，VT2截止时，电路中的电流从电容C1正极到VT1的D1－S1，再通过变压器原边回到电容器C1的负极形成回路，UAB为正电压。变压器的副边感应电压同名端为正，VD1导通，输出Uo上正下负。当VT2开通，VT1关断时，同样可推出上述结论：Uo上正下负。Uo的大小取决于控制电路使VT1、VT2的导通时间。

2 控制电路设计

控制电路功能是实现PWM波形合成及可控DC／AC变换器的隔离驱动。脉宽PWM波形产生采用功能强大的TL494定频调制芯片，该芯片有16个引脚，内部电路与外围电路如图3示。

图3 TL494内部电路及外围电路

TL494芯片的引脚13为高电平时，引脚8和11推挽工作，双路输出。该芯片的最高工作频率为300kHz，实际工作频率由引脚5、6所接的电阻与电容决定。本设计选择的振荡频率为20kHz，锯齿波在片内被送到比较器1和2的反相端。锯齿波与片内的误差放大器的输出在PWM比较器2中比较，而死区控制电平与锯齿波在死区时间比较器1中比较，两者的输出分别为一定宽度的矩形波，它们同时送到或门电路，经分频器分频后，再经相应的门电路去控制内部三极管交替导通，使得引脚8和11向外输出相位互差180°的PWM波形。其工作波形如图4所示。

图4 工作波形

误差放大器1的反相端（引脚2）接可调给定电压Ug。改变Ug可改变引脚3的电压值，从而改变PWM比较器2输出波形的宽度，实现Uo从0～130V连续可调。

3 保护电路设计

3.1 隔离、驱动电路

VT1、VT2采用专用集成驱动模块IR2110来驱动，隔离驱动电路如图5所示。

图5 IR2110驱动模块及外部电路

3.2 过压过流保护

为改变负载曲线，保护功率场效应管的安全运行，防止过电压和减小du／dt，在功率场效应管的D1－S1间并入电阻、快速二极管和电容组成的过电压吸收电路。过流信号从主电路检出，从引脚16送向误差放大器2的同相端，引脚15为比较基准，当出现过流时，引脚16的电压上升，则比较器2的输出引脚3为高电平，封锁脉宽信号。