一、引言

1.研究背景與意義

在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，穩(wěn)定且高效的電源供應(yīng)是確保各類設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)電源的性能要求也日益嚴(yán)苛，不僅要求電源能夠提供穩(wěn)定可靠的電壓輸出，還需具備較高的效率、較低的功耗以及良好的抗干擾能力等特性。

傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備中，穩(wěn)壓電源常采用推挽自激變換電路。然而，這種電路存在諸多不足之處，如效率較低，導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重；功耗較大，增加了運(yùn)行成本；紋波及噪聲干擾大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生不利影響。此外，推挽變換電路對(duì)輸出開關(guān)功率對(duì)管的要求極高，一旦功率開關(guān)的參數(shù)不一致或不對(duì)稱，就容易造成高頻變壓器磁芯的單向偏磁現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)磁芯飽和，最終導(dǎo)致輸出開關(guān)功率對(duì)管損壞，這無疑增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本和故障風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于此，本研究旨在探索一種新型的雙變壓器自激振蕩式半橋驅(qū)動(dòng)倍壓變換電路，以期克服傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的缺陷，為工業(yè)自動(dòng)化控制提供更為優(yōu)質(zhì)的電源解決方案。該電路通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)，利用反饋式變壓器的飽和來精準(zhǔn)控制晶體管的開關(guān)過程，有效消除了開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的電流尖峰，使功率變壓器的效率得到顯著提升，功耗大幅降低。同時(shí)，這種控制方式還能確保主功率變壓器不易進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而極大地減少了輸出開關(guān)功率對(duì)管損壞的可能性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。

2.研究目標(biāo)與方法

本研究旨在實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

優(yōu)化電路性能：深入探究雙變壓器自激振蕩式半橋驅(qū)動(dòng)倍壓變換電路的工作原理和特性，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化電路參數(shù)，提高電路的效率、穩(wěn)定性和可靠性，降低功耗和紋波噪聲，使其性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于同類電源電路。

拓展應(yīng)用領(lǐng)域：研究該電路在不同工業(yè)自動(dòng)化控制場(chǎng)景下的適用性和可擴(kuò)展性，探索其在各種復(fù)雜工況和負(fù)載條件下的應(yīng)用潛力，為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備提供更加多樣化和個(gè)性化的電源解決方案，推動(dòng)其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

完善理論體系：對(duì)雙變壓器自激振蕩式半橋驅(qū)動(dòng)倍壓變換電路進(jìn)行深入的理論研究，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和等效電路，揭示其內(nèi)在的物理規(guī)律和工作機(jī)制，為電路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，豐富和完善工業(yè)自動(dòng)化控制電源技術(shù)的理論體系。

二、電路的工作原理

1. 電路結(jié)構(gòu)組成

本研究提出的雙變壓器自激振蕩式半橋驅(qū)動(dòng)倍壓變換電路，主要由EMI濾波電路、LDO穩(wěn)壓電路、半橋變換電路、半橋驅(qū)動(dòng)電路以及輸出整流濾波電路等部分組成，各部分電路相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電壓變換功能。

1.1 EMI濾波電路

EMI濾波電路主要由共模電感L1和電容C1組成。該電路作為一種低通濾波器，利用電容通高頻隔低頻的特性以及電感線圈高阻抗特性，抑制共模或差模高頻干擾信號(hào)，針對(duì)某干擾信號(hào)的頻率選用合適的干擾抑制鐵氧體磁環(huán)，從而讓低頻的有用信號(hào)順利通過，對(duì)高頻干擾起到抑制作用。為后續(xù)電路提供較為純凈的直流電源輸入，確保電路的穩(wěn)定運(yùn)行，減少電磁干擾對(duì)電路性能的影響。

1.2 LDO穩(wěn)壓電路

LDO穩(wěn)壓電路由低壓差穩(wěn)壓芯片U1、電阻R2、電阻R1、電容C2組成。該電路能夠?qū)⑼獠恐绷麟娫措妷海ㄈ?0V至30V之間的某一電壓值UA），通過低壓差穩(wěn)壓芯片U1的穩(wěn)壓作用，結(jié)合電阻R1和R2的分壓調(diào)節(jié)以及電容C2的濾波功能，變換成所需的穩(wěn)定直流電壓（如18V的UB電壓），為后續(xù)半橋變換電路和半橋驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的電源，保證電路中各元件能夠在穩(wěn)定的電壓下正常工作，避免因電源電壓波動(dòng)對(duì)電路性能產(chǎn)生不利影響。

1.3 半橋變換電路

半橋變換電路包括半橋功率開關(guān)管電路和半橋電容橋臂電路。半橋功率開關(guān)管電路由NPN、PNP復(fù)合管Q1組成，半橋電容橋臂電路由電容C7、電容C8組成。當(dāng)電路通電后，由于電容C5被充電，當(dāng)電容C5上的電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)（即能讓NPN三極管導(dǎo)通的電壓值），NPN三極管導(dǎo)通，此時(shí)電流流向?yàn)椋?8V電源、上橋NPN三極管、反饋式變壓器E2的初級(jí)繞組T1、主變壓器E1的初級(jí)繞組T3、電容C8、接地端GND，形成回路。在這個(gè)過程中，通過反饋式變壓器E2的初級(jí)繞組T1的電流變化會(huì)產(chǎn)生變化的磁通量，當(dāng)反饋式變壓器E2的磁芯達(dá)到飽和時(shí)，由反饋式變壓器E2的次級(jí)繞組T2來控制NPN三極管的關(guān)斷，控制PNP三極管的導(dǎo)通，這種連接結(jié)構(gòu)使得由一個(gè)晶體管的關(guān)斷過程啟動(dòng)另一個(gè)晶體管的導(dǎo)通過程，可以消除交叉導(dǎo)通帶來的電流尖峰問題，從而實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電壓變換功能，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為適合后續(xù)電路處理的交流電壓形式，并通過主變壓器E1傳輸功率，為整個(gè)電路的能量轉(zhuǎn)換和傳輸起到關(guān)鍵作用。

1.4 半橋驅(qū)動(dòng)電路

半橋驅(qū)動(dòng)電路包括反饋式變壓器E2的次級(jí)繞組T2、上管觸發(fā)電路和下管觸發(fā)電路。上管觸發(fā)電路由電阻R3、電容C5、二極管D1組成，下管觸發(fā)電路由電阻R4、電容C6、二極管D2組成。在電路工作時(shí)，當(dāng)NPN三極管關(guān)斷時(shí)，PNP三極管導(dǎo)通，而后又由反饋式變壓器E2控制PNP三極管關(guān)斷，NPN三極管導(dǎo)通，這種方式由一個(gè)晶體管的關(guān)斷過程啟動(dòng)另一個(gè)晶體管的導(dǎo)通過程，所以消除了交叉導(dǎo)通。由于反饋?zhàn)儔浩?/span>E2的正向和反向伏秒與主變壓器E1的相等，所以主變壓器E1的階梯形飽和不會(huì)出現(xiàn)，甚至兩個(gè)晶體管儲(chǔ)存時(shí)間上的差異也能調(diào)節(jié)。通過這種方式，此電源變換器電路的工作特性有了很大的改善，可以消除功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的電流尖峰，使功率變壓器具有更好的效率，功耗降低，從而精準(zhǔn)地控制半橋功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，確保電路的穩(wěn)定工作狀態(tài)，提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，也有助于提高功率傳輸效率，降低功耗，為整個(gè)電路的高效運(yùn)行提供有力保障。

1.5 輸出整流濾波電路

輸出整流濾波電路由電容C9、電容C10、二極管D3、二極管D4、電容C11組成。該電路利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙莸膬?chǔ)能濾波特性，將主變壓器E1次級(jí)繞組輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)交流電壓通過二極管D3和D4組成的全橋倍壓整流電路時(shí)，電容C9和C10起到儲(chǔ)能和濾波的作用，能夠有效減少電壓的紋波，最后在電容C11上獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出（如24V直流電壓），為負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源，滿足工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備對(duì)電源穩(wěn)定性和純凈度的要求，確保設(shè)備的正常運(yùn)行，減少因電源波動(dòng)對(duì)設(shè)備性能產(chǎn)生的影響。

2. 自激振蕩過程分析

電路接通后，外接直流電壓經(jīng)EMI濾波電路中LC濾波之后，輸入LDO穩(wěn)壓電路，由LDO低壓差穩(wěn)壓芯片U1變換成所需的直流電壓（如18V），此電壓加在半橋變換電路和半橋驅(qū)動(dòng)電路上。對(duì)于半橋變換電路，18V直流電壓加在NPN三極管（上橋NPN三極管）集電極上；對(duì)于半橋驅(qū)動(dòng)電路，18V直流電壓經(jīng)電阻R3（上管偏置電阻R3）、反饋式變壓器E2的次級(jí)繞組T2給電容C5（上橋加速電容C5）充電，當(dāng)上橋加速電容C5上的電壓達(dá)到能使上橋NPN三極管Q11導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電流流向?yàn)椋?8V電源、上橋NPN三極管、反饋式變壓器E2的初級(jí)繞組T1、主變壓器E1的初級(jí)繞組T3、電容C8（上橋電容C8）、接地端GND，形成回路。

此時(shí)，在反饋式變壓器E2的初級(jí)繞組T1上，電流流向?yàn)閺牡?端至第3端（即下至上），形成下正上負(fù)的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)同名端原理，在反饋式變壓器E2的次級(jí)繞組T2上，電流流向?yàn)閺牡?端至第2端（即從上至下），形成上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使上橋NPN三極管集電極電流進(jìn)一步增加，這是一個(gè)正反饋的過程，使得上橋NPN三極管很快就達(dá)到飽和導(dǎo)通的狀態(tài)。

流過初級(jí)繞組T1的電流以及由此電流引起的磁通也會(huì)線性的增加，當(dāng)反饋式變壓器E2磁芯的磁通量接近或者達(dá)到飽和值時(shí)，上橋NPN三極管集電極的電流就會(huì)急劇增加，而反饋式變壓器E2磁通量的變化率接近于零，因此反饋式變壓器E2的初級(jí)繞組T1、次級(jí)繞組T2上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也接近零。于是上橋NPN三極管的基極上電流減小，集電極電流也隨之開始下降，由于正反饋?zhàn)饔茫答伿阶儔浩鱁2的初級(jí)繞組T1上電壓將反向形成上正下負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，反饋式變壓器E2的次級(jí)繞組T2形成下正上負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)PNP三極管（下橋PNP三極管）導(dǎo)通，上橋NPN三極管完全關(guān)斷，之后下橋PNP三極管將進(jìn)行與上橋NPN三極管相同的工作周期。如此循環(huán)往復(fù)，形成自激振蕩過程，從而實(shí)現(xiàn)了電路的穩(wěn)定工作，為后續(xù)的電壓變換和功率傳輸提供了穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，確保整個(gè)電路能夠持續(xù)、高效地運(yùn)行，滿足工業(yè)自動(dòng)化控制對(duì)電源的需求。

3. 倍壓變換原理

在輸出整流濾波電路中，采用了全橋倍壓整流電路的結(jié)構(gòu)，由電容C9、電容C10、二極管D3、二極管D4組成。當(dāng)主變壓器E1的次級(jí)繞組T4輸出交流電壓時(shí)，在正半周期間，電流通過二極管D3對(duì)電容C9充電，使電容C9上的電壓逐漸升高；在負(fù)半周期間，電流通過二極管D4對(duì)電容C10充電，使電容C10上的電壓逐漸升高。由于電容C9和C10的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得輸出電壓為兩個(gè)電容電壓之和，從而實(shí)現(xiàn)了倍壓的效果。經(jīng)過這樣的倍壓整流過程，能夠在電容C11上獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出，且該輸出電壓相比傳統(tǒng)整流電路具有更高的幅值，滿足了一些對(duì)電壓要求較高的工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備的需求，提高了電源的適用性和實(shí)用性；同時(shí)也有助于減小主變壓器的升壓倍數(shù)，簡(jiǎn)化主變壓器的設(shè)計(jì)，降低成本和體積，為電路在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用提供了更有利的條件。

三、電路的應(yīng)用案例分析

1. 工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用-軌裝式信號(hào)隔離器電源

在工業(yè)自動(dòng)化控制中，軌裝式信號(hào)隔離器被廣泛應(yīng)用，其對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性要求極高。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源大多采用推挽自激變換電路，存在效率低、功耗大、紋波及噪聲干擾大等問題，且對(duì)輸出開關(guān)功率對(duì)管要求高，容易因功率開關(guān)的參數(shù)不一致或不對(duì)稱造成高頻變壓器磁芯的單向偏磁現(xiàn)象，進(jìn)而引起磁芯飽和，導(dǎo)致輸出開關(guān)功率對(duì)管損壞。

本雙變壓器自激振蕩式半橋驅(qū)動(dòng)倍壓變換電路為軌裝式信號(hào)隔離器提供了更優(yōu)質(zhì)的電源解決方案，例如：在某工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的信號(hào)隔離系統(tǒng)中，采用了該電路作為軌裝式信號(hào)隔離器的電源。電路的EMI濾波電路有效抑制了外部電磁干擾，確保了輸入電源的純凈度；LDO穩(wěn)壓電路將輸入的24V直流電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為18V，為后續(xù)電路提供了穩(wěn)定的電源；半橋變換電路和半橋驅(qū)動(dòng)電路通過反饋式變壓器E2精準(zhǔn)控制功率開關(guān)管的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換，消除了電流尖峰，使主變壓器E1高效工作，避免了磁芯飽和問題；輸出整流濾波電路輸出穩(wěn)定的24V直流電壓，為信號(hào)隔離器提供了可靠的電源保障。

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，信號(hào)隔離器的工作穩(wěn)定性和精度得到了顯著提升。在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，很少出現(xiàn)因電源問題導(dǎo)致的信號(hào)失真或設(shè)備故障現(xiàn)象，有效提高了工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，保障了生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。