[实用新型]自适应变频双端开关电源

说明书

本实用新型涉及一种高电压逆变装置，适用于矿山架线电机车的照明。

目前，矿山架线电机车照明使用的电源，一般为可控硅逆变器或仿彩电开关电源式的晶体管开关电源，这两种装置前一种由于体积大、重量大、故障率高已日趋被后者取代。后者体积小、重量轻，图1为其电路原理简图。由于电源绕组N₁的电流流动方向是单向的，它使变压器的磁芯总是工作在磁滞回线的一侧，效率较低，此外开关管VT在关断瞬间，其集电极要承受数倍电源电压的尖峰电压，为保护开关管必须增加耗能的RC尖峰电压吸收电路，因此其整机效率较低。该机电压适用范围也比较窄，单机工作仅在340V以下，如果在550V等级上使用，必须双机串联，这就增加了成本，降低了可靠性。另一方面在井下恶劣环境下，其无故障率时间也不能令人满意。

针对上述缺陷，本实用新型提供了一种效率高、电压适用范围宽、功率大、可靠性较高的矿山架线电机车照明使用的开关电源。

本实用新型是这样实现的。在振荡电路中串联两只开关管，每个管子在工作中只承受二分之一电源电压。两只开关管还并联有一对电流扩大管，这样不仅可提高整机的输出功率，同时也降低了开关管关断瞬间产生的数值很高的反峰压对开关管可能造成的伤害。变压器部分的负载绕组、电源绕组及反馈绕组由里向外绕在同一磁芯上。电源绕组为双线并绕的两组线圈，用一只切换开关可以方便地实现250V／550V两挡切换。

由于采用上述方案，每只开关管只承受二分之一电源电压，本实用新型电源电压适用范围可扩展至550V，同时由于变压器的电源绕组电流方向是双向的，使磁芯工作在磁滞回线的两侧，提高了效率；负载绕组、电源绕组、反馈绕组绕在同一磁芯上，不仅能实现同彩电开关电源一样的负载短路停振保护功能，而且可以自动调整回路中单位时间的换能次数（也就是频率的改变），以适应负载的变化，这样可使整机效率提高到90％以上。另一方面，由于开关管并联了电流扩大管，其承受的关断瞬间尖峰电压要小得多，从而降低了故障率，同时，输出功率也相应扩大，并省却了RC尖峰电压吸收电路。

图1为仿彩电开关电源式晶体管开关电源简化电路原理图。

图2为本实用新型实施例的电路原理图。

下面结合图2对本实用新型作进一步说明。

图中L为普通互感双向滤波器，它与电容C₅、C₆、C₇配合滤除电网上的尖峰电压和干扰，同时也滤除电源工作时对电网的污染。电源端串入的R₀为数值不大的PTC元件，发热时阻值迅速变大，起过流保护作用。C₃、C₄为耐压值在400V以上的电解电容，它既是电源滤波电容，又是开关振荡管VT₁、VT₂的充电电容。一对带阻尼二极管的高反压大功率三极管VT₃、VT₄与VT₁、VT₂并联。C₁、C₂为振荡回路电容，R₁、R₂、R₃、R₄为限流电阻，变压器T有四个绕组：电源绕组N₁、振荡反馈绕组N₂、N₃和负载绕组N₄。启动过程如下：当电源K₁接通后通过互感滤波器L向C₃、C₄充电，同时通过启动电阻R₅为VT₁基极提供一个微小的基极偏流Ib₁，经过VT₁放大后产生一个较大的集电极流IC₁，电流的流动方向为直流电源→VT₁→变压器N₁绕组同名端→C₄到地，由于N₁、N₂和N₃的相位关系，这个电流将在N₂同名端产生一个正的电压促使VT₁迅速饱和导通，同时在N₃异名端产生一个负的电压封死VT₂。这个过程可以理解为C₄的充电过程，VT₁饱和后IC₁不再增长电路就将反转，这时N₂同名端将产生一个负电压使VT₁退出饱和区跃变到截止区，同时N₃异名端产生一个正的电压使VT₂由截止区跃变到饱和区。这时电流方向为直流电源→C₃→N₁异名端→VT₂到地。这个过程可以理解为C₃充电过程（也可理解为C₄放电过程），VT₁、VT₂交替地导通与截止（也就是C₃、C₄交替地充电与放电），将在变压器T的N₄绕组感应出一个较标准的方波电压向负载供电。当负载较轻时，R₁、R₂两端电压小于0.7V，VT₃和VT₄不参与工作。只有当负载较重，R₁、R₂端电压大于0.7V时，VT₃和VT₄才参与工作。另外空载时电源绕组N₁呈现的感抗最大，振荡频率明显变低，可产生清脆的鸣叫声以提醒用户的注意。选择合适的匝比可以保证振荡反馈电压在额定功率范围内保持最佳值，使VT₁、VT₂可靠工作。R₅、R₆同是启动电阻，去掉任意一个都可使电路正常启动，但在负载短路保护时，全部电源电压将加在C₃或C₄某一个电容上，这将有可能损坏电容（特别在550V工作时），为了防止这种情况发生，同时设计了两个启动电阻，可以保证在短路保护状态下C₃和C₄承受的电压基本相等，工作过程是这样的：负载N₄绕组短路后，N₂、N₃上的反馈电压建立不起来，电路停振，这时R₅、R₆继续分别给VT₁、VT₂提供偏流使VT₁、VT₂弱导通，电流方向是直流电源→VT₁→VT₂到地，因为R₅、R₆都是数值大于1兆欧的电阻，所以IC₁、IC₂电流并不大，功耗微乎其微。由于在选管时VT₁和VT₂的β值基本相等，所以V_ce1与V_ce2基本相等，C₃与C₄端电压也基本相等。

本实施例中由于没有稳压部分，电网电压变化时输出电压略有变化，鉴于矿井大都采用分区供电，网络压降不大，所以这个问题并不突出。