1 引言
針對(duì)目前電力機(jī)車上一些諸如繼電器等一些開關(guān)設(shè)備，為了保證它在規(guī)定的電壓狀況下能夠準(zhǔn)確吸合，在正式應(yīng)用之前必須要進(jìn)行校核。本系統(tǒng)由于電壓可調(diào)范圍寬且上升均勻平穩(wěn)，基本可以對(duì)各種類型的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行校核，同時(shí)本系統(tǒng)還可作為一些低壓的中小型用電設(shè)備的供電電源使用，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，可靠性高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)指標(biāo)為:輸入電壓單相交流220v，電源頻率50hz±5hz，電壓工作范圍220v±15％; 輸出直流額定電壓110v且從15v到150v均穩(wěn)定可調(diào)，額定電流5a，電壓紋波系數(shù)5％。圖1為系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 主電路
該系統(tǒng)最大輸出功率為800w，考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性采用如圖2所示的全橋式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 主電路原理圖

(1) 具體方案
l 全橋電路必須保證同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管不能直通，故必須采用反相驅(qū)動(dòng)，要求控制電路給出兩路相位相差180°的pwm信號(hào);
l 對(duì)全橋電路而言，每個(gè)開關(guān)管所承受的最高電壓就是輸入的最高直流電壓值，再考慮到系統(tǒng)開關(guān)頻率的要求，以此為據(jù)選取開關(guān)管的型號(hào);
l 全橋式高頻變壓器的磁化特性曲線工作在一、三象限，它的磁通變化可以從-bm到+bm，屬于對(duì)稱式工作變壓器，在原邊繞組中串聯(lián)隔直電容 ，阻斷與不平衡的伏秒值成正比的直流分量，就可以平衡開關(guān)管每次不相等的伏秒值，有效的防止磁偏現(xiàn)象的發(fā)生;
l 主電路高頻功率器件采用mosfet，mosfet是用柵極電壓來控制漏極電流的，故其驅(qū)動(dòng)電路簡單，所需的驅(qū)動(dòng)功率小，無二次擊穿，而且開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性較好。
(2) 主變壓器的設(shè)計(jì)與繞制
在本系統(tǒng)中開關(guān)頻率為37.4khz，變壓器為手工繞制，選用ee65鐵氧體磁芯，其尺寸為(單位mm):寬×高×厚=65×31.2×25，舌厚=25，窗口寬度=43，由此可算出其它參數(shù):中心柱有效截面積ae=1.965×2.5=5cm2，窗口的面積，功率容量的估算值ap=ae×aq=28.75(cm4)，理論上的計(jì)算值:

所以選用ee65型鐵氧體磁芯是可以滿足設(shè)計(jì)功率要求的。
考慮到開關(guān)管的關(guān)斷特性并保證一對(duì)橋臂上的器件不會(huì)直通，系統(tǒng)的開關(guān)頻率調(diào)定為37.4khz,最小死區(qū)時(shí)間tdeadmin=1.2μs，最大導(dǎo)通時(shí)間tonmax=pwmax=12.1μs，pwmax為芯片輸出的最大脈沖寬度。
則初級(jí)繞組的匝數(shù):

式中:為輸入交流峰值;
次級(jí)繞組的匝數(shù):

式中:vinmin為電網(wǎng)輸入的直流電壓最低值;
vop為整流濾波輸出電壓的脈沖幅度。
它需要綜合考慮輸出電壓的文波系數(shù)，濾波電感的直流壓降和整流器的輸出占空比。
通過不斷調(diào)試和改進(jìn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)np＝22匝，ns＝15匝時(shí)可得到較好的效果。為了加強(qiáng)原、副邊的耦合性，盡可能減小變壓器漏感，在繞制過程中將原、副邊繞組按如下方式繞制:原邊先單獨(dú)繞4匝，然后原、副邊繞組共繞15匝，最后原邊繞組再繞3匝。此種繞制方式在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。
(3) 驅(qū)動(dòng)變壓器的繞制
選用ei22型鐵氧體磁芯，原、副邊匝比np:ns＝1:1，匝數(shù)均為30匝。繞制方法:第一層只繞原邊繞組15匝，第二層、第三層、第四層、第五層各為副邊的30匝，第六層續(xù)繞原邊剩余的15匝。

2.2 控制電路
(1) 3525a控制芯片簡介
3525a控制芯片的管腳及封裝如圖4所示。
有關(guān)其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)功能圖詳見參考文獻(xiàn)[1]。芯片的工作原理為:誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓的高低而改變寬度的方波脈沖，將此脈沖經(jīng)過一系列數(shù)字電路的處理便形成兩路相位相差180°的脈沖信號(hào)。
由鋸齒波產(chǎn)生電路可知上升和下降的斜率是可以通過改變電路參數(shù)來調(diào)整，即電容的沖放電的時(shí)間常數(shù)是可調(diào)的。在3525a芯片中，rt阻值決定了內(nèi)部恒流源對(duì)ct的充電，而ct的放電則由rd決定。這樣就把充電和放電回路分開，有利于通過rd來調(diào)整最小死區(qū)時(shí)間tdeadmin，從而也調(diào)整了其它脈寬時(shí)的死區(qū)時(shí)間tdead。
芯片的振蕩頻率可近似表示為:

在維持rt固定不變的情況下，由頻率公式可以看到 fs與rd成反比變化。
在本系統(tǒng)中ct=2.2nf，rt=8.2kω，rd=120ω，則系統(tǒng)開關(guān)頻率據(jù)上式計(jì)算的理論值為fs=37.3khz，實(shí)測值fs=37.4khz，pwm周期t=26.7μs。
(2) 死區(qū)時(shí)間分析
上面提到了兩個(gè)時(shí)間參數(shù)tdead和tdeadmin:
l tdead是系統(tǒng)工作時(shí)一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間間隔;
l tdeadmin是一個(gè)安全死區(qū)時(shí)間參數(shù)，它是基于開關(guān)管的物理開關(guān)特性來定義的，即要求開關(guān)管在 時(shí)間內(nèi)完全關(guān)斷。由于tdeadmin的出現(xiàn)，必然導(dǎo)致輸出脈寬受限，最大輸出脈寬。顯而易見tdead與tdeadmin的關(guān)系為:tdeadmin≤tdead。
本系統(tǒng)中，在電容ct兩端可得到一個(gè)從0.96v到3.2v變化的鋸齒波，基于本系統(tǒng)開關(guān)頻率、在反饋電壓為1.6v時(shí)做出如圖3所示的pwm脈沖及死區(qū)時(shí)間的仿真分析。
由圖3可知，芯片的振蕩周期:
t = 2 ( tr + tf )
芯片輸出的脈沖寬度:

其中:tr為電容;
ct充電時(shí)間;
tf為電容;
ct放電時(shí)間;
pw為芯片輸出的脈沖寬度且pw≤pwmax，tdead為死區(qū)時(shí)間。在不變動(dòng)rt的情況下，tr便為定值，當(dāng)rd發(fā)生變化時(shí)，tf將隨之變化，從而引起t的變化，則在輸出相同脈寬的情況下tdead必然發(fā)生變化。這就是調(diào)整死區(qū)時(shí)間的基本原理。另外，從圖3中可以看到輸出的兩路脈沖相位相反而且間隔均等，這就很好的保證了變壓器的充磁平衡，防止磁偏的發(fā)生。

圖3 pwm脈沖及死區(qū)時(shí)間的仿真分析

(3) pi調(diào)節(jié)
圖4中的uf是經(jīng)由電壓傳感器和運(yùn)放環(huán)節(jié)處理過的電壓反饋信號(hào)，ug為連續(xù)可調(diào)的給定電壓信號(hào)，vref是芯片內(nèi)部提供的5v參考電壓，dra和drb為兩路脈沖信號(hào)。此電路與主電路構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。其中:
l u1a、r5、r2、c2構(gòu)成了系統(tǒng)的pi環(huán)節(jié)，輸入輸出關(guān)系可用下式表示:

圖4 pi控制下的pwm出電路

l u1b、r10、r9、w2構(gòu)成系統(tǒng)反饋深度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，它決定了系統(tǒng)傳函框圖中的反饋系數(shù)k;
l 由于受到鋸齒波電壓的限制，輸入芯片的電壓值超過了某一個(gè)固定值之后便不能再影響輸出脈沖的寬度，為了保護(hù)芯片，調(diào)整 便可以限定進(jìn)入芯片的最大電壓值。
設(shè)pi環(huán)節(jié)的傳函為g1(s)，3525a芯片的傳函為g2(s)，主電路的傳函為g3(s)。
則整個(gè)系統(tǒng)的傳函為 ，系統(tǒng)的傳函框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)傳函框圖

在這里結(jié)合實(shí)際的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)作兩點(diǎn)說明:
l 反饋系數(shù)k的設(shè)定需綜合考慮到ug的給定范圍，使得反饋值uf1能夠很好的跟蹤給定電壓ug，并且使輸出電壓均勻、平滑的上升;
l pi環(huán)節(jié)中的比例環(huán)節(jié)主要由r5決定，積分環(huán)節(jié)主要由c2決定。增大r5的值可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和系統(tǒng)響應(yīng)的幅值，但當(dāng)r5超過了某個(gè)特定的值之后，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定; 增大c2的值可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度將減慢，如果c2的值過小，將導(dǎo)致整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。
(4) 限流和過流環(huán)節(jié)分析
l 圖6中電壓源限流環(huán)節(jié)的uif信號(hào)是經(jīng)過電流傳感器和運(yùn)放環(huán)節(jié)處理過的一個(gè)負(fù)的電壓信號(hào)，uif與v1的比較結(jié)果決定了系統(tǒng)是否進(jìn)行限流操作。當(dāng)電壓源正常工作時(shí)，圖中的晶體管n1工作在線性放大區(qū)，當(dāng)發(fā)生限流時(shí)便工作在飽和區(qū)，這一點(diǎn)通過調(diào)整r7和r8的值便可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)限流發(fā)生時(shí)，此時(shí)控制電路中的電容c11的電壓值較低，導(dǎo)致輸出脈寬迅速變窄，輸出電壓回落，從而開始了一個(gè)輸出電壓被限定的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過程。基于本系統(tǒng)將限流值設(shè)定為5.3a時(shí)所得的一組實(shí)測數(shù)據(jù)為: 正常工作時(shí)c2的電壓值為4.85v，限流發(fā)生時(shí)為2.1v。

圖6 限流及保護(hù)電路

l 電壓源保護(hù)環(huán)節(jié)中的晶體管是工作在飽和區(qū)，作為數(shù)字開關(guān)管來使用。當(dāng)信號(hào)error為高電平時(shí)，晶體管飽和導(dǎo)通，此時(shí)c11的電壓值被拉低，脈沖被封鎖，系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
所完成的電源裝置經(jīng)測試和試用，證明性能良好。在輸入電壓有效值為165v~250v、輸出電壓為110v、輸出電流為5a時(shí)驅(qū)動(dòng)變壓器輸出電壓、主變壓器的副邊輸出電壓、以及直流輸出的電壓波形如圖7所示。由驅(qū)動(dòng)變壓器副邊波形可見，兩路相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是基本對(duì)稱的，而且由于變壓器漏感所造成的尖刺是不可避免存在的，但其幅值是很小的，不會(huì)影響開關(guān)管的使用壽命，如果進(jìn)一步提高變壓器繞制工藝相信仍可以改善輸出波形。輸出的直流電壓波形無超調(diào)和振蕩，可以嚴(yán)格的保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)該設(shè)計(jì)為為3525a系列開關(guān)電源芯片的運(yùn)用提供了很好的實(shí)例。

圖7 輸出電壓110v、電流5a時(shí)部分參數(shù)波形