双变压器自激振荡式变换电路的深度剖析与应用拓展

一、引言

1.研究背景与意义

在工业自动化控制领域，稳定且高效的电源供应是确保各类设备正常运行的关键因素之一。随着工业自动化程度的不断提高，对电源的性能要求也日益严苛，不仅要求电源能够提供稳定可靠的电压输出，还需具备较高的效率、较低的功耗以及良好的抗干扰能力等特性。

传统的工业自动化控制设备中，稳压电源常采用推挽自激变换电路。然而，这种电路存在诸多不足之处，如效率较低，导致能源浪费严重；功耗较大，增加了运行成本；纹波及噪声干扰大，对系统的稳定性和可靠性产生不利影响。此外，推挽变换电路对输出开关功率对管的要求极高，一旦功率开关的参数不一致或不对称，就容易造成高频变压器磁芯的单向偏磁现象，进而引发磁芯饱和，最终导致输出开关功率对管损坏，这无疑增加了系统的维护成本和故障风险。

鉴于此，本研究旨在探索一种新型的双变压器自激振荡式半桥驱动倍压变换电路，以期克服传统稳压电源的缺陷，为工业自动化控制提供更为优质的电源解决方案。该电路通过独特的设计，利用反馈式变压器的饱和来精准控制晶体管的开关过程，有效消除了开关管导通和关断时出现的电流尖峰，使功率变压器的效率得到显著提升，功耗大幅降低。同时，这种控制方式还能确保主功率变压器不易进入饱和状态，从而极大地减少了输出开关功率对管损坏的可能性，提高了系统的稳定性和可靠性，具有重要的理论研究价值和实际应用意义。

2.研究目标与方法

本研究旨在实现以下目标：

优化电路性能：深入探究双变压器自激振荡式半桥驱动倍压变换电路的工作原理和特性，通过理论分析和实验验证，进一步优化电路参数，提高电路的效率、稳定性和可靠性，降低功耗和纹波噪声，使其性能指标达到或优于同类电源电路。

拓展应用领域：研究该电路在不同工业自动化控制场景下的适用性和可扩展性，探索其在各种复杂工况和负载条件下的应用潜力，为工业自动化设备提供更加多样化和个性化的电源解决方案，推动其在工业领域的广泛应用。

完善理论体系：对双变压器自激振荡式半桥驱动倍压变换电路进行深入的理论研究，建立准确的数学模型和等效电路，揭示其内在的物理规律和工作机制，为电路的设计、优化和应用提供坚实的理论基础，丰富和完善工业自动化控制电源技术的理论体系。

二、电路的工作原理

1. 电路结构组成

本研究提出的双变压器自激振荡式半桥驱动倍压变换电路，主要由EMI滤波电路、LDO稳压电路、半桥变换电路、半桥驱动电路以及输出整流滤波电路等部分组成，各部分电路相互协作，共同实现高效稳定的电压变换功能。

1.1 EMI滤波电路

EMI滤波电路主要由共模电感L1和电容C1组成。该电路作为一种低通滤波器，利用电容通高频隔低频的特性以及电感线圈高阻抗特性，抑制共模或差模高频干扰信号，针对某干扰信号的频率选用合适的干扰抑制铁氧体磁环，从而让低频的有用信号顺利通过，对高频干扰起到抑制作用。为后续电路提供较为纯净的直流电源输入，确保电路的稳定运行，减少电磁干扰对电路性能的影响。

1.2 LDO稳压电路

LDO稳压电路由低压差稳压芯片U1、电阻R2、电阻R1、电容C2组成。该电路能够将外部直流电源电压（如20V至30V之间的某一电压值UA），通过低压差稳压芯片U1的稳压作用，结合电阻R1和R2的分压调节以及电容C2的滤波功能，变换成所需的稳定直流电压（如18V的UB电压），为后续半桥变换电路和半桥驱动电路提供稳定的电源，保证电路中各元件能够在稳定的电压下正常工作，避免因电源电压波动对电路性能产生不利影响。

1.3 半桥变换电路

半桥变换电路包括半桥功率开关管电路和半桥电容桥臂电路。半桥功率开关管电路由NPN、PNP复合管Q1组成，半桥电容桥臂电路由电容C7、电容C8组成。当电路通电后，由于电容C5被充电，当电容C5上的电压达到一定数值时（即能让NPN三极管导通的电压值），NPN三极管导通，此时电流流向为：18V电源、上桥NPN三极管、反馈式变压器E2的初级绕组T1、主变压器E1的初级绕组T3、电容C8、接地端GND，形成回路。在这个过程中，通过反馈式变压器E2的初级绕组T1的电流变化会产生变化的磁通量，当反馈式变压器E2的磁芯达到饱和时，由反馈式变压器E2的次级绕组T2来控制NPN三极管的关断，控制PNP三极管的导通，这种连接结构使得由一个晶体管的关断过程启动另一个晶体管的导通过程，可以消除交叉导通带来的电流尖峰问题，从而实现高效稳定的电压变换功能，将输入电压转换为适合后续电路处理的交流电压形式，并通过主变压器E1传输功率，为整个电路的能量转换和传输起到关键作用。

1.4 半桥驱动电路

半桥驱动电路包括反馈式变压器E2的次级绕组T2、上管触发电路和下管触发电路。上管触发电路由电阻R3、电容C5、二极管D1组成，下管触发电路由电阻R4、电容C6、二极管D2组成。在电路工作时，当NPN三极管关断时，PNP三极管导通，而后又由反馈式变压器E2控制PNP三极管关断，NPN三极管导通，这种方式由一个晶体管的关断过程启动另一个晶体管的导通过程，所以消除了交叉导通。由于反馈变压器E2的正向和反向伏秒与主变压器E1的相等，所以主变压器E1的阶梯形饱和不会出现，甚至两个晶体管储存时间上的差异也能调节。通过这种方式，此电源变换器电路的工作特性有了很大的改善，可以消除功率开关管导通和关断时出现的电流尖峰，使功率变压器具有更好的效率，功耗降低，从而精准地控制半桥功率开关管的导通与关断，确保电路的稳定工作状态，提高电路的可靠性和稳定性。同时，也有助于提高功率传输效率，降低功耗，为整个电路的高效运行提供有力保障。

1.5 输出整流滤波电路

输出整流滤波电路由电容C9、电容C10、二极管D3、二极管D4、电容C11组成。该电路利用二极管的单向导电性和电容的储能滤波特性，将主变压器E1次级绕组输出的交流电压转换为稳定的直流电压。当交流电压通过二极管D3和D4组成的全桥倍压整流电路时，电容C9和C10起到储能和滤波的作用，能够有效减少电压的纹波，最后在电容C11上获得稳定的直流电压输出（如24V直流电压），为负载提供稳定可靠的电源，满足工业自动化控制设备对电源稳定性和纯净度的要求，确保设备的正常运行，减少因电源波动对设备性能产生的影响。

2. 自激振荡过程分析

电路接通后，外接直流电压经EMI滤波电路中LC滤波之后，输入LDO稳压电路，由LDO低压差稳压芯片U1变换成所需的直流电压（如18V），此电压加在半桥变换电路和半桥驱动电路上。对于半桥变换电路，18V直流电压加在NPN三极管（上桥NPN三极管）集电极上；对于半桥驱动电路，18V直流电压经电阻R3（上管偏置电阻R3）、反馈式变压器E2的次级绕组T2给电容C5（上桥加速电容C5）充电，当上桥加速电容C5上的电压达到能使上桥NPN三极管Q11导通时，此时电流流向为：18V电源、上桥NPN三极管、反馈式变压器E2的初级绕组T1、主变压器E1的初级绕组T3、电容C8（上桥电容C8）、接地端GND，形成回路。

此时，在反馈式变压器E2的初级绕组T1上，电流流向为从第4端至第3端（即下至上），形成下正上负的电动势。根据同名端原理，在反馈式变压器E2的次级绕组T2上，电流流向为从第1端至第2端（即从上至下），形成上正下负的感应电动势。此感应电动势使上桥NPN三极管集电极电流进一步增加，这是一个正反馈的过程，使得上桥NPN三极管很快就达到饱和导通的状态。

流过初级绕组T1的电流以及由此电流引起的磁通也会线性的增加，当反馈式变压器E2磁芯的磁通量接近或者达到饱和值时，上桥NPN三极管集电极的电流就会急剧增加，而反馈式变压器E2磁通量的变化率接近于零，因此反馈式变压器E2的初级绕组T1、次级绕组T2上的感应电动势也接近零。于是上桥NPN三极管的基极上电流减小，集电极电流也随之开始下降，由于正反馈作用，反馈式变压器E2的初级绕组T1上电压将反向形成上正下负的电动势，反馈式变压器E2的次级绕组T2形成下正上负的电动势，此时PNP三极管（下桥PNP三极管）导通，上桥NPN三极管完全关断，之后下桥PNP三极管将进行与上桥NPN三极管相同的工作周期。如此循环往复，形成自激振荡过程，从而实现了电路的稳定工作，为后续的电压变换和功率传输提供了稳定的驱动信号，确保整个电路能够持续、高效地运行，满足工业自动化控制对电源的需求。

3. 倍压变换原理

在输出整流滤波电路中，采用了全桥倍压整流电路的结构，由电容C9、电容C10、二极管D3、二极管D4组成。当主变压器E1的次级绕组T4输出交流电压时，在正半周期间，电流通过二极管D3对电容C9充电，使电容C9上的电压逐渐升高；在负半周期间，电流通过二极管D4对电容C10充电，使电容C10上的电压逐渐升高。由于电容C9和C10的串联结构，使得输出电压为两个电容电压之和，从而实现了倍压的效果。经过这样的倍压整流过程，能够在电容C11上获得稳定的直流电压输出，且该输出电压相比传统整流电路具有更高的幅值，满足了一些对电压要求较高的工业自动化控制设备的需求，提高了电源的适用性和实用性；同时也有助于减小主变压器的升压倍数，简化主变压器的设计，降低成本和体积，为电路在工业现场的应用提供了更有利的条件。

三、电路的应用案例分析

1. 工业自动化控制系统中的应用-轨装式信号隔离器电源

在工业自动化控制中，轨装式信号隔离器被广泛应用，其对电源的稳定性和可靠性要求极高。传统的稳压电源大多采用推挽自激变换电路，存在效率低、功耗大、纹波及噪声干扰大等问题，且对输出开关功率对管要求高，容易因功率开关的参数不一致或不对称造成高频变压器磁芯的单向偏磁现象，进而引起磁芯饱和，导致输出开关功率对管损坏。

本双变压器自激振荡式半桥驱动倍压变换电路为轨装式信号隔离器提供了更优质的电源解决方案，例如：在某工业自动化生产线的信号隔离系统中，采用了该电路作为轨装式信号隔离器的电源。电路的EMI滤波电路有效抑制了外部电磁干扰，确保了输入电源的纯净度；LDO稳压电路将输入的24V直流电压稳定转换为18V，为后续电路提供了稳定的电源；半桥变换电路和半桥驱动电路通过反馈式变压器E2精准控制功率开关管的工作状态转换，消除了电流尖峰，使主变压器E1高效工作，避免了磁芯饱和问题；输出整流滤波电路输出稳定的24V直流电压，为信号隔离器提供了可靠的电源保障。

实际运行结果表明，信号隔离器的工作稳定性和精度得到了显著提升。在长期运行过程中，很少出现因电源问题导致的信号失真或设备故障现象，有效提高了工业自动化控制系统的可靠性和稳定性，保障了生产线的正常运行。