一款高效率车载开关电源电路设计方案

随着现代汽车用电设备种类的增多，功率等级的增加，所需要电源的型式越来越多，包括交流电源和直流电源。这些电源均需要采用开关变换器将蓄电池提供的+12VDC或+24VDC的直流电压经过DC-DC变换器提升为+220VDC或+240VDC，后级再经过DC-AC变换器转换为工频交流电源或变频调压电源。对于前级DC-DC变换器，又包括高频DC-AC逆变部分、高频变压器和AC-DC整流部分，不同的组合适应不同的输出功率等级，变换性能也有所不同。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用，尤其是在低压大电流输入的中小功率场合;同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点，因此本文采用推挽逆变-高频变压器-全桥整流方案，设计了24VDC输入-220VDC输出、额定输出功率600W的DC-DC变换器，并采用AP法设计相应的推挽变压器。

推挽逆变的工作原理

图1给出了推挽逆变-高频变压-全桥整流DC-DC变换器的基本电路拓扑。通过控制两个开关管S1和S2以相同的开关频率交替导通，且每个开关管的占空比d均小于50%,留出一定死区时间以避免S1和S2同时导通。由前级推挽逆变将输入直流低电压逆变为交流高频低电压，送至高频变压器原边，并通过变压器耦合，在副边得到交流高频高电压，再经过由反向快速恢复二极管FRD构成的全桥整流、滤波后得到所期望的直流高电压。由于开关管可承受的反压最小为两倍的输入电压，即2UI,而电流则是额定电流，所以，推挽电路一般用在输入电压较低的中小功率场合。 开关变压器的设计：AP法设计开关变压器

采用面积乘积(AP)法进行设计。对于推挽逆变工作开关电源，原边供电电压UI=24V,副边为全桥整流电路，期望输出电压UO=220V，输出电流IO=3A，开关频率fs=25kHz，初定变压器效率η=0.9，工作磁通密度Bw=0.3T。

(1)计算总视在功率PT。设反向快速恢复二极管FRD的压降：VDF=0.6*2=1.2V

推挽逆变的问题分析

1、能量回馈

主电路导通期间，原边电流随时间而增加，导通时间由驱动电路决定。 234下一页>

2、各点波形分析

当某一PWN信号的下降沿来临时，其控制的开关元件关断，由于原边能量的储存和漏电感的原因，漏极产生冲击电压，大于2UI，因为加入了RC缓冲电路，使其最终稳定在2UI附近。 实验与分析

1、原理设计

图4为简化后的主电路。输入24V直流电压，经过大电容滤波后，接到推挽变压器原边的中间抽头。变压器原边另外两个抽头分别接两个全控型开关器件IGBT，并在此之间加入RC吸收电路，构成推挽逆变电路。推挽变压器输出端经全桥整流，大电容滤波得到220V直流电压。并通过分压支路得到反馈电压信号UOUT。 2、结果与分析

实验结果表面，输出电压稳定在220V，纹波电压较小。最大输出功率能达到近600W,系统效率基本稳定在80%，达到预期效果。其中，由于IGBT效率损耗较大导致系统效率偏低，考虑如果采用损耗较小的MOSFET，系统效率会至少上升10%~15%.

注意事项：

(1)变压器初级绕组在正、反两个方向激励时，由于相应的伏秒积不相等，会使磁芯的工作磁化曲线偏离原点，这一偏磁现象与开关管的选择有关，原因是开关管反向恢复时间的不同>可导致伏秒积的不同。

(2)实验中，随着输入电压的微幅增高，系统损耗随之增大，主要原因是变压器磁芯产生较大的涡流损耗，系统效率有所下降。减小涡流损耗的措施主要有：减小感应电势，如采用铁粉芯材料;增加铁心的电阻率，如采用铁氧体材料;加长涡流所经的路径，如采用硅钢片或非晶带。

结论

推挽电路特别适用于低压大电流输入的中小功率场合，并利用AP法设计了一种高频推挽变压器。实验结果表明推挽逆变-高频变压-全桥整流的方案达到了预期的效果，使输出电压稳定在220V并具有一定的输出硬度，效率达到80%，为现代汽车电源的发展提供了一定的发展空间。