新型单管平方型AC/DC变换器的设计

1． 引言

　　AC/DC转换装置中，通常需要适应宽范围的输入电压或是满足宽范围的输出电压。
传统的PWM变换器必须工作在相当低的占空比下方能满足要求，同时由于开关管最小开通时间的限制，使变换器只能工作在较低的工作频率。
　　新型单管平方型变换器，其电压转化率M是占空比平方的函数，要获得相同的电压转换率，较传统变换器而言，该变换器可以工作于较大的占空比和较高的工作频率。这样更易于实现电路的控制和拓宽可获得的电压转换率范围，从而实现宽范围电压转换。本文介绍了一种新型单管平方型AC/DC变换器的基本原理及其设计过程。

2． 　新型单管平方型AC/DC变换器

　　新型单管平方型AC/DC变换器的原理图如图1所示，是一种基于脉宽调制（PWM）的变换器。该变换器主电路是由两个基本Buck变换器串联获得的[1]。经证明可知[2],要获得M(D)与占空比D的平方存在一定关系的变换器，一定不能少于两个电容，两个电感和四个开关，但是功率开关管的个数却可以减少到一个。本文中提出的该新型单管变换器就只含有一个开关管，减少了开关管的个数，从而简化了控制及其驱动电路。
　　PWM集成芯片采用了UC3842，是一种电流型控制的专用的芯片，具有电压调整率高、外围元器件少、工作频率高、启动电流小的特点。其输出驱动信号通过隔直电容，连接在驱动变压器原边。
　　变换器的过流保护由电阻R9检测到开关管的过流信号，封锁UC3842的输出信号，实现过流保护。电压负反馈控制由电阻R12和R13获得输出电压信号。
　　变换器的工作原理简述如下：当变换器接通电源时，输入交流电压整流后的直流电压经电阻R17降压后，给UC3842提供启动电压。进入正常工作后，二次绕组N3提供UC3842的工作电压（12V）；绕组N2的高频电压经过整流滤波，由TL431获得偏差信号，先经光耦隔离，然后输入到误差比较器的反相输入端，与给定电压进行比较，然后将比较后的误差信号反馈到UC3842，去控制开关管的导通与截止，实现稳压的目的。通过调节接入误差比较器正相端的给定电压，来获得输出电压的宽范围调节。

图1　 单管平方型AC/DC变换器的电路原理图

3． 变换器的设计

3．1 EMI滤波器的设计

　　EMI滤波器能有效地抑制电网噪声，提高电子仪器、计算机和测控系统地抗干扰能力及可靠性[3].EMI滤波器电路如图1所示，包括共模扼流圈（也称共模电感）和滤波电容。共模电感主要用来滤除共模干扰，其电感量与EMI滤波器的额定电流有关。本文中的单管平方型变换器取共模电感值为15mH。滤波电容C11, C13主要滤除串模干扰，容量大致为0.01μF~0.47μF。C14和C15跨接在输入端，并将电容器的中点接地，能有效抑制共模干扰，容量范围是2200Pf~0.1μF。

3．2 功率器件的选取

　　变换器的开关器件一般均选用功率场效应管（MOSFET），依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流等级，并预留有1.5~2倍的电压和2~3倍的电流裕量。在单管变换器中，开关器件的电压UCEO通常可按经验公式取
　　UCEO=Udmax/（1-D）　　　　　　 (1)
　　式中：Udmax为漏源级的最大电压； D为占空比。
　　开关器件的电流按高频变压器一次绕组的最大电流来确定。本文中的单管平方型变换器中选用的功率开关管为耐压800V,电流5.4A的IRFPE40。
　　变换器中前级Buck电路中的二极管D1和D2选用了超快速恢复二极管，而整流输出端选用肖特基二极管，以减少二极管的压降。

3．3 变换器电感的设计

　　在单管平方型变换器中，为了拓宽输出端可获得的电压范围，通常控制电路中的储能电感L1和滤波电感L2工作在连续导电模式；在一个开关周期内，通过电感L1和电感L2的电流波形如图2所示。

图2.　开关周期内通过电感L1和电感L2的电流波形
　　为了使滤波电感L2工作于连续导电模式（CCM），则有：

　　　　　　　　　 (2)
　　式中，RLd为变换器的负载电阻；L2为滤波电感的电感为变换器的工作频率；D为占空比。
　　为了使储能电感L1工作在连续导电模式下，则有：

　　　　　　　　　(3)
　　式中，L1为储能电感的电感值。
　　在本文中，要求=200KHz，D=0.5，RLd=43.6Ω。故选取L1 =220μH,L2=55μH.

[p] 3.4 高频变压器的设计

　　高频变压器是变换器的核心元件，它的性能好坏不仅影响其本身的发热和效率，而且还会影响到变换器的技术性能和可靠性。
　　1) 磁芯的选用
　　本文的负载设计为　;　1.1A,由变压器的二次绕组N2绕组提供。而绕组N3提供UC3842的工作电源，其功率很小，可以忽略不计。由设定条件可知，高频变压器的输出功率为
　　P2=48 1.1=50W
　　根据文献[4]给出的输出功率与磁芯尺寸的关系，选用了EE33磁芯，其有效截面积为112mm2。
　　2）绕组匝数的确定
　　忽略输入线路压降和开关管导通压降，按最差的输入电压环境下来计算，则变压器初级绕组电压幅值UP1为

=128V　　　(4)
　　式中，Uinmin是变压器输入直流电压；ΔU1是变压器初级绕组的电阻压降与开关管的导通压降之和，在实际计算中可以忽略。
　　变压器二次绕组N2的电压幅值UP2为

　　（5）
　　式中，ΔU2是变压器二次绕组的电阻压降与整流管的压降之和。
　　初级绕组匝数N1为

　　　　　　　　　　　　　（6）
　　式中，是开关频率（200KHz）；是磁通增量，此处取=0.15T。
　　匝　（7）
　　实际取N1为20匝。
　　二次绕组N2的匝数为
　　匝　　　　　（8）
　　实际取N2为13匝。
　　二次绕组N3提供UC3842的12V工作电压，其匝数由下式得到
　　匝　　　　（9）
　　式中，UP3为二次绕组N3的电压幅值。

4．结束语

　　应用脉宽调制集成控制芯片UC3842构成的单管平方型AC/DC变换器，具有电路结构简单，成本低等优点。不仅获得稳定输出，而且实现了宽范围电压转换。该新型单管平方型变换器为拓宽电压变换范围提供了一个重要的方案和途径。