基于半桥变换的数控开关电源的设计与研究

陈景忠

（扬州工业技术学院，江苏 扬州 225127）

基于半桥变换的数控开关电源的设计与研究

陈景忠

（扬州工业技术学院，江苏 扬州 225127）

现代高频开关稳压电源以体积小、效率高、噪声低、可靠性高等优点已广泛应用于各种工业控制设备、医疗仪器以及各种家用电器等产品中。主要分析了一种数控机床系统用开关电源的工作原理，对主变换电路等各部分电路的工作过程、器件选择及主变压器参数等进行了设计研究。通过大量试验，最终完成了该数控机床系统开关稳压电源的研制，各项指标满足系统要求，工作稳定可靠。

开关电源；半桥变换；驱动；保护

现代高频开关稳压电源以效率高、噪声低、可靠性高等优点已广泛应用于各种工业控制设备、医疗仪器以及各种家用电器等产品中。随着微电子工艺技术和电力电子技术的发展，各种开关电源智能控制芯片及新型电力电子器件不断涌现，同时，开关电源用各种新型磁芯材料也应运而生，这些使得开关电源总体逐渐向高效率、轻质量、高集成等方向发展。

本文主要分析设计了一种数控机床系统用开关电源电路，其采用半桥式变换工作原理，克服了单端变换电路高频变压器的磁芯只工作在磁滞回线一边的现象，电路抗不平衡性得到了大大增强。同时，采用脉宽调制芯片TL494作为激式驱动芯片，性价比高，调试简单方便，工作稳定可靠。该开关电源还设计有过压、过流等各种保护电路。

1 开关电源电路的组成及原理

1.1 原理框图

如图1，输入的交流电220 VAC经过输入整流滤波电路后，送入半桥式变换电路进行高频开关变换，再经过高频整流滤波电路后输出各路电压提供给负载使用。该开关电源共有四种输出电压，其技术指标要求分别是：+5 V，25 A，误差±1%，供主电路CPU板等使用；+15 V，4 A误差±2%；－15 V，4 A误差±2%，供控制电路使用；+24 V，2 A误差±10%，供继电器电路等使用。电源工作原理框图如1。

图1 数控机床系统开关电源原理框图

该开关电源的稳压原理是通过对输出+5 V电压主回路取样，并反馈至脉宽集成芯片TL494内的误差放大器实现[1]，驱动改变交替导通的大功率管Q1、Q2导通时间实现稳压的目的。电流取样变压器T2原边串接在主变换回路中，对电流取样，如发生过流或短路，则通过过流保护电路，让整个变换电路停止工作。

1.2 驱动电路原理分析

图2 数控机床系统开关电源驱动电路图

TL494芯片是一种性价比较高的脉宽驱动集成电路，可通过5脚、6脚的电容、电阻方便地进行振荡频率设置[2]。其内部的两个误差放大器分别作为电压反馈和电流反馈处理，内部驱动三极管可交替导通或同时导通以提高驱动电流。图2中外接三极管Q3、Q4以加大驱动电流交替驱动主变换回路大功率三极管Q1、Q2。当T3次边上绕组感应电压为上正下负时，驱动电压经二极管D4、D5驱动三极管Q1，并给电容C3充电。D6、R7为Q1导通加速回路，并限制流过Q1的电流以保护Q1。

当Q1截止时，已充电的C3电容电压经过三极管Q1：PN结、三极管Q5：e、Q5：c回路反向放电，迅速减少Q1：PN结存储电荷而使Q1截止，从而减小Q1恢复时间，避免在死区时间不够的情况下，Q1、Q2出现共态导通，烧毁电路的现象发生。驱动电路的下半周期，Q2导通，Q1截止，原理与前述相同。图中驱动变压器T3选EI28型高频铁氧体磁芯绕制。

1.3 主变换电路原理分析及计算

1.3.1 主变换电路原理分析

主变换器电路原理图如图3所示，输入的交流电220 V经输入整流滤波后，产生约300 V左右的直流电压。经电容R1、R2、C1、C2分压，供Q1、Q2交替半周期导通使用。当Q1导通时，其通电回路为：

C1+→Q1：c→Q1：e→T1原边→T3原边→T2原边→C2+→C2-当Q2导通时，其通电回路为：

C1+→C1-→T2原边→T3原边→T1原边→Q2：c→Q2：e

图3 数控机床系统开关电源主变换图

主变压器T1次边有～5 V，～15 V，～24 V共三组绕组，分别经过全波整流后输出+5 V，+15 V，－15 V，+24 V四组电压。其中+5 V为主稳压回路，稳压电路由+5 V输出取样并反馈回TL494芯片误差放大器，改变其输出驱动脉冲宽度，最终实现稳压。其余三组绕组电压输出随+5 V电压调整而变化，15 V在整流后采用集成稳压器件W 7815、W 7915稳压，按照集成稳压块工作要求，输入输出压差大于3 V以上稳定可靠，因此在交流输入电压187～242 V范围内，～15 V次边绕组感应电压整流后必须大于18 V。24 V系统误差要求(24±10%)V范围内，可适当选取圈数满足要求。

主变换电路中大功率三极管Q1、Q2选取MJ13070，该管参数：最大功率PD为125W，集电极电流IC为5 A，击穿电压BVceo为400 V，击穿电压BVebo为6 V，电流放大倍数β最小为8倍。上升时间tr最大仅为0.4μs，可减小开关损耗。

1.3.2 主变压器计算及磁芯选择

大功率管Q1、Q2作为开关器件在电路中交替导通，组成了半桥式开关变换器。主变换变压器T1采用高频铁氧体磁芯材料EE42绕制。相关计算公式如式（1）[3]：

式中：η为变压器效率；δ为电流密度；Bm为磁感应强度；Q为磁芯窗口面积；S为磁芯截面积；f为开关电源工作频率；Km为窗口铜填充系数；Kc为窗口铁填充系数；PT为变压器输出功率。对本电路半桥变换而言，原次边绕组匝比选取约为13。初级主绕组取40圈，次级+5 V绕组取3圈。为减小集肤效应，变压器在绕制工艺上采用Φ1.4漆包线双线并绕或用厚0.1 mm软黄铜皮绕制而成，并尽量使绕组参数对称保持一致。

1.4 开关电源整流滤波电路、保护电路

高频整流电路器件选择恢复二极管S30SC4M实现+5 V回路电压整流，该器件最大输出电流30 A，反向最大击穿电压约40 V。选取BYV32进行±15、+24 V输出电压整流，该器件最大输出电流4 A，反向击穿电压达200 V。滤波电路采用电感电容组成的π型滤波，可有效滤除高频整流后的交流成份。开关电源设置有过压保护电路、过流保护电路等保护措施。电路中过压保护电路工作原理：当开关电源输出取样电路检测+5 V输出电压大于5.5 V时，迅速触发可控硅导通切断变换驱动电源+15 V，使驱动信号停止工作，从而保护开关电源。电路中过流保护电路工作原理：当串接于主变换回路原边的电流传感变压器T2检测到电路过流时，经整流变换后送入TL494内部误差放大器组成的过流保护电路，经芯片内部驱动逻辑控制电路，封锁驱动输出脉冲，使变换器停止工作从而保护整个电源。

2 结论

本文主要分析了一种数控机床系统用开关电源的工作原理，对主变换电路等各部分电路的工作过程、器件选择及主变压器參数等进行了设计研究，通过大量试验，最终完成了该数控机床系统开关稳压电源的研制，各项指标满足系统要求，工作稳定可靠。

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

[2] 北京半导体器件五厂.最新开关集成稳压器数据应用手册[M].北京：北京半导体器件五厂，2006.

[3] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，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

陈景忠（1965—），男，江苏省人，硕士，高级工程师，主要研究方向为电路设计及光电控制。