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摘要：介紹了一種新型礦用機車控制電源的原理、設計及實驗結果。首先提出了一種先降壓后變換兩級變換結構，然后給出了新型控制電源主要部分的設計，最后給出了采用這種兩級變換結構的新型電源的實驗結果。
關鍵詞：DC-DC變換器；PWM控制；雙開關管串聯

Abstract: This paper presents the principle, design and experimental result of a novel control power supply of mine locomotive. Firstly, a novel converter structure with two stages that lowers the input first and converts the voltage next is presented .Then the design of major part of the novel power supply is presented. The final part shows the result of the novel power supply with the two stages.
Key words: DC-DC converter; PWM control; Two switches in series

1  引言

    礦用機車控制電源就是目前普遍使用的一種開關電源，它是一種直―直變換器。這種電源使用的環境一般都比較惡劣，如輸入電壓波動大，難于維護等，所以要求較高的穩定性和可靠性。現有礦用機車控制電源雖然能夠滿足電壓變換的要求，但故障率較高，而且當輸入電壓范圍變化較大時，其穩定性大大降低。
    在原有DC-DC變換的基礎上，本設計采用一種新型的基于DC-DC變換器拓撲的直―直變換器。前級降壓，后級變換，提高電源的穩定性和可靠性，更加適用于礦用機車。

2  兩級直―直變換器的工作原理

    兩級直―直變換器的拓撲結構如圖1所示。

圖1   基于DC-DC變換器的新型變換器拓撲

    這種直―直變換器是在基本DC-DC變換器的基礎上得到的，是一種兩級結構的變換器。前級是基本BUCK變換器，后級為正激變換器。這種新型變換器結構綜合了BUCK變換器和正激變換器的優點，既能夠適應輸入電壓的大范圍波動，又能降低單個開關管的耐壓，提高電路的穩定性和可靠性。
    兩級變換器的優點如下：
    ?  電路拓撲簡潔，控制電路簡單；
    ?  前級電路可以在高頻下工作，濾波器很小；
    ?  后級開關管在前級輸出電壓接近零時開關，可以實現ZVS狀態；
    ?  適應大范圍電壓波動。

3  以兩級變換器為主體的控制電源的設計

    礦用機車控制電源就是目前普遍使用的一種開關電源，它是一種直―直變換器。在滿足普通電源的參數要求的前提下，礦用機車控制電源又有其獨特的要求：高的穩定性和可靠性。由于礦用機車控制電源使用的環境一般都比較惡劣，如輸入電壓波動大、空氣濕度較大、粉塵含量高、不宜于維護等。現有礦用機車控制電源雖然能夠滿足電壓變換的要求，但故障率較高，而且當輸入電壓范圍變化較大時，其穩定性大大降低。
    本文在新型DC-DC變換器的基礎上，設計了一種基于兩級機構的礦用機車控制電源，并采用多種保護措施，提高系統的穩定性和可靠性。這種新型控制電源可以實現免維護。
3.1  主電路設計
    本設計中的直―直變換器的主電路的整體結構如圖2所示。前級BUCK電路，將輸入電壓先降到200V，再將200V穩定的直流電壓輸入到正激變換器，得到所需的直流輸出電壓。

圖2   主電路結構

    以這種變換器作為主體設計開關電源時，當電源的輸入波動較大時，前級BUCK電路既可以降壓，又可以穩壓。使輸入后級正激變換器的電壓基本穩定，這樣就使正激變換器的工作更加穩定。
    在工作中，如果單個開關管承受的電壓高，容易擊穿時，可以用兩個開關管串聯起來作為一個管子用，這在高反應晶體管較少的早期常用辦法之一。由于目前的工藝水平，FET管的工作電壓不能太高，常用的功率MOS管的最高耐壓多在1000V左右，而400V左右的管子價格低廉一些，BUCK電路采用雙管串聯解決了管子的耐壓問題，選擇耐壓在1000V的MOS管即可。而且正激電路中用二極管D1、D2導通時限制了兩個MOS管關斷時所受的反壓均在輸入電壓左右，故選用普通的耐壓在400V左右的MOS管即可，這種串聯結構提高了電源的性價比。^[1]
3.2  變壓器的設計
    (1) 工作頻率的確定
    工作頻率對電源體積及特性影響很大，必須很好的選擇。
    工作頻率高時，輸出濾波器和輸出變壓器可小型化，過渡響應速度快。但主開關元件的熱損耗增大，噪聲大，而且集成控制器、主開關元件、輸出二極管、輸出電容以及輸出變壓器的磁芯、還有電路設計等都受到限制。另外，還要注意輸出變壓器繞組匝數。
本設計中，選擇變壓器的工作頻率為100kHz。則
   
    式中，T為周期，f為工作頻率。
    (2)  參數計算
    ?  磁芯選擇
    最大導通時間T_ON(max)的確定  T_ON(max)= T_D(max)
    對于正激變換器，D（導通占空比）選為0.4～0.45較為適宜。Dmax是設計電路的一個重要參數，它對主開關元件，輸出二極管的耐壓與輸出保持時間，輸出變壓器及輸出濾波器的大小，變換效率等都有很大影響。此處，選Dmax=0.42。
    則有
   
    式中， Po(max)為最大輸出功率，△B為磁感應強度變化量，η為效率， Ku為校核系數，J為電流密度。
    傳遞功率P＝26×20＝520W選擇E型磁芯（材料為N27）。取Bm=0.2T，鐵氧體Kc=1
    根據輸出功率與磁芯尺寸之間的關系，以及S△的值，磁芯選為EI60。當頻率為100kHz時，最大傳輸功率650W。
    Ae=228mm2，Ve=21660mm3，Aw=245mm2
    S△=Ae?Aw=2.28×2.45=5.58cm4
    式中，Ae為有效截面積，Ve為磁芯體積，Aw為窗口面積，S△為功率容量。
    ?  繞阻計算
   
    式中，N1為原邊匝數，N2為副邊匝數， Vi(min)為最小輸入電壓， VF為反向回復電壓， Io為輸出電流， r為負載電阻。
    ?  導線線徑計算
    副邊電流I2原邊電流I1：
   
    取J=2A / mm2
   
    式中，J為電流密度。
    ?  窗口面積校核
    
    式中，Ku為校核系數，Scu1為原邊導線截面積，Scu2為副邊導線截面積。
    則可知設計合理。
    變壓器的工作特性直接關系到整個電源系統的工作特性，采用以上方法設計的變壓器在電源實際工作中，測得實際效率為71％，基本符合設計要求。

4  試驗波形及結論

    本控制電源在實際應用在礦用機車應用上取得了較好的使用效果，解決了寬范圍電壓輸入時電源穩定性和可靠性下降的問題，具有較高的可靠性和穩定性。圖3示出為實際測得串聯MOS管的驅動脈沖波形。

圖3   串聯MOS管驅動脈沖波形

    本文首先提出了一種新型的基于DCDC變換器拓撲的兩級變換器。該變換器有一個雙管BUCK變換器和一個雙管正激變換器組成，采用先降壓后變換兩級變換結構。采用這種新型變換器拓撲設計的一種新型的礦用機車的控制電源在實際應用中具有良好的性能。 

參考文獻：
[1] 張占松,蔡宣三. 開關電源的原理與設計[M]. 電子工業出版社,2001,1.
[2] Xie Shaojun, Fan ying, Zhou Dake. Research on a Novel Inverter Based on DC/DC Converter Topology[J]. Journal of Southeast University(English Edition),Dec.2002 Vol.18 No.4.
[3] 何希才. 新型開關電源及其應用[M]. 人民郵電出版社,1996,5.