摘要：介绍了一种新型矿用机车控制电源的原理、设计及实验结果。首先提出了一种先降压后变换两级变换结构，然后给出了新型控制电源主要部分的设计，最后给出了采用这种两级变换结构的新型电源的实验结果。
关键词：DC-DC变换器；PWM控制；双开关管串联

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

    矿用机车控制电源就是目前普遍使用的一种开关电源，它是一种直―直变换器。这种电源使用的环境一般都比较恶劣，如输入电压波动大，难于维护等，所以要求较高的稳定性和可靠性。现有矿用机车控制电源虽然能够满足电压变换的要求，但故障率较高，而且当输入电压范围变化较大时，其稳定性大大降低。
    在原有DC-DC变换的基础上，本设计采用一种新型的基于DC-DC变换器拓扑的直―直变换器。前级降压，后级变换，提高电源的稳定性和可靠性，更加适用于矿用机车。

2  两级直―直变换器的工作原理

    两级直―直变换器的拓扑结构如图1所示。

图1   基于DC-DC变换器的新型变换器拓扑

    这种直―直变换器是在基本DC-DC变换器的基础上得到的，是一种两级结构的变换器。前级是基本BUCK变换器，后级为正激变换器。这种新型变换器结构综合了BUCK变换器和正激变换器的优点，既能够适应输入电压的大范围波动，又能降低单个开关管的耐压，提高电路的稳定性和可靠性。
    两级变换器的优点如下：
    ?  电路拓扑简洁，控制电路简单；
    ?  前级电路可以在高频下工作，滤波器很小；
    ?  后级开关管在前级输出电压接近零时开关，可以实现ZVS状态；
    ?  适应大范围电压波动。

3  以两级变换器为主体的控制电源的设计

    矿用机车控制电源就是目前普遍使用的一种开关电源，它是一种直―直变换器。在满足普通电源的参数要求的前提下，矿用机车控制电源又有其独特的要求：高的稳定性和可靠性。由于矿用机车控制电源使用的环境一般都比较恶劣，如输入电压波动大、空气湿度较大、粉尘含量高、不宜于维护等。现有矿用机车控制电源虽然能够满足电压变换的要求，但故障率较高，而且当输入电压范围变化较大时，其稳定性大大降低。
    本文在新型DC-DC变换器的基础上，设计了一种基于两级机构的矿用机车控制电源，并采用多种保护措施，提高系统的稳定性和可靠性。这种新型控制电源可以实现免维护。
3.1  主电路设计
    本设计中的直―直变换器的主电路的整体结构如图2所示。前级BUCK电路，将输入电压先降到200V，再将200V稳定的直流电压输入到正激变换器，得到所需的直流输出电压。

图2   主电路结构

    以这种变换器作为主体设计开关电源时，当电源的输入波动较大时，前级BUCK电路既可以降压，又可以稳压。使输入后级正激变换器的电压基本稳定，这样就使正激变换器的工作更加稳定。
    在工作中，如果单个开关管承受的电压高，容易击穿时，可以用两个开关管串联起来作为一个管子用，这在高反应晶体管较少的早期常用办法之一。由于目前的工艺水平，FET管的工作电压不能太高，常用的功率MOS管的最高耐压多在1000V左右，而400V左右的管子价格低廉一些，BUCK电路采用双管串联解决了管子的耐压问题，选择耐压在1000V的MOS管即可。而且正激电路中用二极管D1、D2导通时限制了两个MOS管关断时所受的反压均在输入电压左右，故选用普通的耐压在400V左右的MOS管即可，这种串联结构提高了电源的性价比。^[1]
3.2  变压器的设计
    (1) 工作频率的确定
    工作频率对电源体积及特性影响很大，必须很好的选择。
    工作频率高时，输出滤波器和输出变压器可小型化，过渡响应速度快。但主开关元件的热损耗增大，噪声大，而且集成控制器、主开关元件、输出二极管、输出电容以及输出变压器的磁芯、还有电路设计等都受到限制。另外，还要注意输出变压器绕组匝数。
本设计中，选择变压器的工作频率为100kHz。则
   
    式中，T为周期，f为工作频率。
    (2)  参数计算
    ?  磁芯选择
    最大导通时间T_ON(max)的确定  T_ON(max)= T_D(max)
    对于正激变换器，D（导通占空比）选为0.4～0.45较为适宜。Dmax是设计电路的一个重要参数，它对主开关元件，输出二极管的耐压与输出保持时间，输出变压器及输出滤波器的大小，变换效率等都有很大影响。此处，选Dmax=0.42。
    则有
   
    式中， Po(max)为最大输出功率，△B为磁感应强度变化量，η为效率， Ku为校核系数，J为电流密度。
    传递功率P＝26×20＝520W选择E型磁芯（材料为N27）。取Bm=0.2T，铁氧体Kc=1
    根据输出功率与磁芯尺寸之间的关系，以及S△的值，磁芯选为EI60。当频率为100kHz时，最大传输功率650W。
    Ae=228mm2，Ve=21660mm3，Aw=245mm2
    S△=Ae?Aw=2.28×2.45=5.58cm4
    式中，Ae为有效截面积，Ve为磁芯体积，Aw为窗口面积，S△为功率容量。
    ?  绕阻计算
   
    式中，N1为原边匝数，N2为副边匝数， Vi(min)为最小输入电压， VF为反向回复电压， Io为输出电流， r为负载电阻。
    ?  导线线径计算
    副边电流I2原边电流I1：
   
    取J=2A / mm2
   
    式中，J为电流密度。
    ?  窗口面积校核
    
    式中，Ku为校核系数，Scu1为原边导线截面积，Scu2为副边导线截面积。
    则可知设计合理。
    变压器的工作特性直接关系到整个电源系统的工作特性，采用以上方法设计的变压器在电源实际工作中，测得实际效率为71％，基本符合设计要求。

4  试验波形及结论

    本控制电源在实际应用在矿用机车应用上取得了较好的使用效果，解决了宽范围电压输入时电源稳定性和可靠性下降的问题，具有较高的可靠性和稳定性。图3示出为实际测得串联MOS管的驱动脉冲波形。

图3   串联MOS管驱动脉冲波形

    本文首先提出了一种新型的基于DCDC变换器拓扑的两级变换器。该变换器有一个双管BUCK变换器和一个双管正激变换器组成，采用先降压后变换两级变换结构。采用这种新型变换器拓扑设计的一种新型的矿用机车的控制电源在实际应用中具有良好的性能。 

参考文献：
[1] 张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 电子工业出版社,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. 新型开关电源及其应用[M]. 人民邮电出版社,1996,5.