专利名称：无轨电车1000瓦晶体管高压开关电源的制作方法
技术领域：
本发明属于晶体管开关稳压电源。
本发明是一种在直流高压下进行变换的它激式脉宽调制开关稳压电源。据查在原理上最接近的现有技术是采用MC3520构成的PWM型稳压电源。(其电路可见徐德高编“脉宽调制变换器型稳压电源”一书中图6-61页)以及本人已获得的实用新型专利“架线电机车直流高压大功率逆变电源”，专利号为85201386。和本发明一样都具有控制、驱动及功率转换电路等。但已有技术主要是计算机用稳压电源及矿山井下架线电机车用稳压电源;而本发明是用在城市无轨电车上。
由于无轨电车输入直流电压高，所需输出12伏电源功率大(上述已有技术最大功率为250瓦，而本发明输出功率为1000瓦)，实际应用负载变化范围大(已有技术允许负载变化范围为1～250瓦，本发明允许负载变化范围为0～1000瓦);故本发明在电路设计上与已有技术有着实质性的区别。如针对无轨电车使用上的要求而设计的特有电路即由比例电压产生、抗饱和及对拉式反偏压电路组成的综合驱动电路;输入电压换向电路;死区限定和死区保证电路;减流式保护电路和短路保护电路;软启动电路;蓄电池保护电路;高频荧光灯电路和音乐电笛电路等。
目前国内城市无轨电车的照明灯具、电喇叭、电雨刷、门泵电磁阀等低压用电装置所需12伏直流电源是由汽车发电机及酸性大容量铅蓄电池供给的。由于无轨电车经常运行速度慢，汽车发电机输出电压低，从而使蓄电池经常在亏电的情况下工作，造成极板硫化、破裂、损坏率十分高，使用寿命大为降低。采用这种供电方式，要经常对电瓶充电、补充电解液，发电机及电压调节器也属磨损易坏部件;因而现有这种低压供电装置不仅损坏率高，使用周期短，而且平时维护工作量大，造成了人力、物力的很大浪费。
另外，目前车用直流电喇叭、不仅耗电大、效率低、易损坏;而且也是城市内令人生厌的噪声源。车厢内照明白炽灯效率低、耗电大，所有这些都是当前无轨电车中所存在的问题。
本发明的目的即是采用现代电子技术来代替目前无轨电车内的发电机及酸性蓄电池组合的落后供电方式。该发明与原方式相比成本低、寿命长、节电、使用方便、性能稳定可靠、技术性能高;尤其是不用经常充电、灌电解液及日常维护保养，从而大大减轻了电车司机的负担，节省了人力、物力。同时本发明设计的高频荧光灯车厢内照明电路及装置、结构简单、不用启辉器、不用预热灯丝，打开开关，荧光灯即直接快速点燃。与白炽灯相比节电效率提高5～7倍，而且光色柔和、无闪烁灯管使用寿命比普通日光灯电路提高3倍左右，为夜间乘客方便、安全提供了良好条件。
另外本发明设计的音乐电笛电路代替原车用直流电喇叭，与原方式相比不仅节电10倍以上，而且不易损坏，减少维护，降低成本;更重要的是大大降低了城市噪声污染，深受司机及行人欢迎。
附
图1为本发明之方框图，图中A为输入换向电路，B为输入浪涌电压、浪涌电流抑制电路，C为死区限定电路，D为功率转换电路，E为高反压大功率晶体管保护电路，F为12V直流输出电路，G为功率转换级抗饱和输入电路，I为对拉式反偏压驱动电路，J为死区保证电路，K为控制电路，L为软启动电路，H为减流式保护电路，M为比例电压产生电路，N为输出短路保护电路，P为小容量密封镉镍蓄电池保护电路，P为20KHz高频荧光灯电路，S为5W音乐电笛产生电路。
附图2为输入电压400V～1000V，功率为1000W实施例线路图。因电路复杂分别绘出2a～2d四张图上。
现以图2为例，阐述本发明各组成电路的构成和功能。
无轨电车在运行中，输入电源极性並不是固定不变的，不同区域的供电网路有可能正负极性变换。为此本机设计由D1～D4组成全桥式换向器，对经CZ1扦座输入400V～1000V直流高压进行极性变换。
浪涌电压、浪涌电流抑制电路，由L1、C1、C2、C4、C5、压敏电阻Rm1及可控硅管SCR1、电阻R1等组成。其中C1、C2、C4、C5及Rm1组成浪涌电压吸收电路;L1、R1、SCR1等组成浪涌电流限制电路。
功率转换电路，由高反压大功率晶体管BG1～BG8及高频功率变压器B3、无极性电容C9等组成。该转换电路为全桥式，特点是可以获得大功率输出。但对桥路开关对称性和电流平衡要求较高。为此BG1～BG8应尽量选择特性一致的管子。並且在高频变压器B3初级串联电流平衡电容器C9，以改善电流平衡特性。
为了解决桥路开关对称性和电流平衡特性问题，设计了由D12～D23组成的抗饱和电路及由BG11～BG14、驱动变压器B4、B5等元件组成的对拉式反偏压驱动电路、以缩短高压开关管的存储时间，提高整机效率和技术性能。
比例电压产生电路，由电流互感器B1、开关二极管D6、D7、L2四端高频电解电容C6等组成。其特点是当负载轻时，其输出电压低，从而驱动级输出驱动功率小;负载重时，输出电压高，从而驱动级加大了对功率转换级的驱动功率，使驱动电流的大小随整机负载相应变化。该电路与抗饱和电路、对拉式反偏压电路配合，可以形成优良的整机负载特性，並且还可以大大降低死负载功率，提高整机效率。
高反压大功率晶体管的保护电路由D24～D31、C15～C22、R21～R24，压敏电阻Rm2～Rm5等组成。其中D24～D27为钳位二极管，以使施加于三极管上的电压不超过电源电压，並将高频变压器漏感能量返回到输入电源端。压敏电阻Rm2～Rm5可以保护三极管BG1～BG8的be结不被过高反压击穿。D28～D31，C15～C22、R21～R24组成尖峰吸收网络，对高频变压器漏感和电路电感所产生的电压尖峰进行吸收，同时还对大功率开关晶体管的伏安特性进行修正，使之避开高电压大电流区，防止产生二次击穿。
控制电路由集成电路W3524、R47～R54、W1、C26～C28组成。其中R52、C28决定振荡频率。电位器W1进行稳压调整。
死区保证电路是由BG15、BG16、R40、R41、R45、R46组成的。其功能是确保控制级输出交替脉冲的死区时间不因驱动级的存贮延迟而减少乃至消失，从而防止功率转换级大功率开关管产生“共同通导”而损坏。
死区限定电路由光电耦合器GD及R5、R6、R33、R55、D37、D38等组成。其作用是在一定的输入电压下使控制级输出交替脉冲有一定的死区，以确保开关功率晶体管在任何恶劣条件下也不会产生“共同通导”而损坏。
软启动电路由BG17、D37、D38、C29、R55等组成。该电路在开机瞬间能使控制级输出脉冲宽度由窄逐渐展宽，使功率转换级在窄脉冲下启动，实现输出电压的缓升，以防止高频变压器在瞬间开机时某种原因产生磁饱和或满负载时启动产生过大浪涌电流而损坏开关功率三极管。
减流式保护电路由B2、D8、D9、C31、C7、W2等组成。当电源在超载情况下工作时，该保护电路便输出过流取样电压控制W3524，使其输出脉冲宽度变窄，从而导致整机输出电压降低输出电流不会增大，因而电源输入电流降低。该电路能和比例电压产生电路、W3524控制电路进行紧密配合，产生独特的减流保护机理。即使在负载短路时，电源输出电流也可相对不变。而这时电源输入电流也减至十分小，使功率转换级大功率管不会因负载过重或短路而受损坏。
短路保护电路由D39、D40、SCR2、BG18、R56～59组成。当电源输出端出现短路故障时，BG18截止输出高电位经R59加至控制级W3524的10脚关闭W3524，从而使功率转换级停止工作，只有当故障排除后，电源才能正常工作。
蓄电池保护电路为了解决当无轨电车高压供电线路出现偶尔短时间停电事故时，需有夜晚紧急照明及开电动门，本机内设有小容量密封镉镍蓄电池E，为了防止负载短路或输出超载时有损蓄电池，本机设计了由BG9、BG10、SCR3、D32、D33、D41、D42继电器J等组成的蓄电池保护电路，其作用是平时DG10处于导通状态，J继电器吸动。当输出超载，蓄电池电压降低到小于11V时，BG9
10截止，继电器J接点断开蓄电池对外输出回路。为了防止蓄电池因负载断开后电压回升超过11V后继电器电路重新接通而产生间歇振荡，特设计了由D41、SCR2、R59、C33组成的封锁电路。当本机输出发生短路故障时，短路保护电路输出高电位经R58触发SCR2，封锁BG10，使继电器J释放，断开蓄电池对外输出电路。
高频荧光灯电路由高频功率变压器B3的次级B26~7]]>、L5、L6、C35、L7等电路组成。L5、L6、C34、C35为低通网路，其用途是防止高频干扰，並与L7配合起荧光灯限流作用。
音乐电笛电路由音乐集成电路IC3、音频功率放大集成电路IC2以及电阻R61～65，电容C36～39等组成。
输出电路由高频功率转换变压器B3次级输出，经开关二极管D10、D11整流，续流变压器L3、L4、高频四端电解电容器C13、C30滤波后形成12V(或有关要求任意电压值)供给车内低压用电装置使用。
下面再以整机工作过程，进一步说明各电路之间的关系当本发明输入电缆与电车上的高压直流电接通后，打开输入电源开关K1，电车直流高压便经扦座CZ1进入机内二极管D1～D4组成的全桥换向器。这样不管电车输入电压极性如何变换，经全桥换向器之后都形成固定极性电压。其正电压经C1、L1、C2低通网路加至Rm1、SCR1、R1、R2、C3、D5浪涌电压，浪涌电流抑制电路。其浪涌电压由压敏电阻Rm1吸收钳位、开机浪涌电流由电阻R1所限制。当电源正常工作后，变压器B1次级输出经D5整流R2、C3滤波后触发SCR1，以短路R1，防止正常工作时R1产生过大损耗。
输入正电压经浪涌电流抑制电路后加至C4、C5电容上滤波后再加至功率转换级高反压大功率开关三极管BG1～BG8上。这时打开电源面板上12V小型密封镉镍蓄电池E电路开关K2后，12V电压便同时加至控制电路W3524和驱动电路BG11～BG14上。W3524的11、14脚便输出上、下交替的20KHz脉冲方波信号加至BG13、BG11基极，经放大后，驱动变压器B4、B5次级的两个绕组Lm1～m2，Lm3～m4，Ln1～n2，Ln3～n4上产生脉冲方波分别经过抗饱和电路D12～D23加至开关功率管BG1～BG8的基极，使BG3、4、5、6与BG1、2、7、8分别交替导通或截止。
这样在高频变压器B3次级绕组B3～5，B6～7产生20KHz的脉冲电压。其中B3～5上的脉冲电压经大电流开关二极管D10、D11全波整流后再经续流线圈L3、L4、高频电解电容C13、C30滤波后形成12V直流电压经电流表A加至电源面板上的输出接线柱WZ。以供给电车前后各照明灯、信号灯、电风扇、车门泵电磁阀等用电。
高频变压器B3次级B6～7产生的高压20KHz脉冲电压经L5、L6、C34、C35组成的尖峰脉冲滤波电路加至电源面板上的4芯扦座CZ2的1～2脚，再经扦头CT2，荧光灯开关，限流电感L7等加至荧光灯管。使荧光灯直接点燃，供电车车厢内照明。
该开关电源的稳压作用是由控制电路W3524承担的。当电源输入电压升高或降低时，或者由于负载变化影响造成输出电压升高或降低时，其C30上的输出电压经W1R49反馈至W3524的1脚。W3524内部运算放大器进行运算比较后使11、14脚输出的方波脉冲变窄或变宽。从而使功率转换级输出的脉冲也相应变窄或加宽。这样加至C30上的输出整流滤波电压就会相应降低或升高。由于W3524内部运算放大器增益很高，这样反复调整的结果，就会使输出电压保持稳定不变。
音乐电笛电路的工作与否是由按动开关K3控制的，当接通K3后，12V电压便加至IC2、IC3，音乐集成电路IC3工作，输出音乐信号经功率放大集成电路IC2放大后，经C40加至扦座CZ2的3、4脚。然后由扦头CT2输送到小高音喇叭上，发出适当功率的动听的电笛信号。
本发明与现有的几种类似电源的比较结果同可控硅逆变电源相比，具有体积小、重量轻、功率大、效率高、无噪音，纹波电压小，负载能力强，稳压范围大，不会失控，保护电路完善优良，可靠性高，多功能等显著优点。
同发电机蓄电池组供电方式相比，具有故障率低，维修量小、使用方便，经济效益高，节电、多功能等优点。
通过实验证明，本发明与现有技术相比，具备如下优点。
(1)可在1000V以下直流高压下工作並输出1000W大功率。(现有技术为250W)(2)负载能力强，能承受负载变化范围为0W至1000W。(现有技术为1W～250W)(3)整机所设计的特有电路如综合驱动电路，死区保证及死区限定电路，减流式过流保护电路、软启动电路，蓄电池保护电路等设计新颖，性能良好，使整机具有高可靠性。
(4)由于采用了音乐电笛电路，降低了功耗和城市噪音污染，减少了日常维护工作。
(5)车厢内照明用高频荧光灯代替原白炽灯，节电效率提高5～7倍，而且结构简单，使用方便，光色柔和。
(6)能适用于城市无轨电车代替发电机蓄电池组做为12V低压大电流稳压电源供电车上各种照明灯、门泵电磁阀、可控硅斩波调速设备触发电路等低压用电装置，从而大大减轻了电车司机的维护工作量，提高了电车的现代化程度。
权利要求
1.一种应用于无轨电车上的它激式脉宽调制开关稳压电源，是由输入、功率转换、驱动、控制、保护、输出等电路组成。其特征在于由比例电压、对拉式反偏压和抗饱和电路组成的驱动电路，有输入换向电路，有死区限定电路和死区保证电路，有减流式保护电路及短路保护电路，有蓄电池保护电路，软启动电路，高频荧光灯电路，以及音乐电笛电路。
2.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是由B1，D6、D7、C6等组成的比例电压产生电路、BG11～BG14等组成的对拉式反偏压驱动电路，和D12～D22组成的抗饱和电路三者相配合而形成的一个能够适应负载大范围变化的性能优良的综合驱动电路。
3.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是输入部分有一个由D1～D4组成的全桥式换向器。
4.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是由BG15、BG16、R40、R41、R45、R46组成的死区保证电路，和由光电耦合器GD、R5、R6、R32、R55、D37、D38组成的死区限定电路，共同组成一个防止功率转换级高反压大功率三极管产生“共同通导”的保护电路。
5.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是由B2、D8、D9、R9、C31组成的电流互感器取样电路，及比例电压产生电路和W35 24集成控制电路相配合而形成的优良减流式保护电路，以及由BG18、D39、D40、SCR2、R56、R57等组成的短路保护电路。
6.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是由死区限定电路，W3524控制电路相配合由BG17、D37、D38、C29、R55组成的防止高频功率变压器B3磁饱和、保护开关功率管的软启动电路。
7.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是由BG9、BG10、SCR3、D32、D33、D41、D42和继电器J组成的蓄电池保护电路，以及由D41、SCR3、R59、C33等元件组成的防止蓄电池因负载断开电压回升引起继电器J动作而产生间歇振荡的封锁电路。
8.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是由高频功率变压器B3次级绕组B26~7]]>、L5、L6、L7、C34、C35等组成的车厢内用高频荧光灯电路。
9.按照权利要求1所述的开关电源，其特征是由集成电路IC2、IC3等元件所组成的节电降噪音乐电笛电路。
全文摘要
一种应用于无轨电车的晶体管它激式脉宽调制开关稳压电源，由输入换向(A)、输入浪涌电压电流抑制(B)、死区限定(C)、功率转换(D)、高反压大功率晶体管保护(E)、12伏直流输出(F)、功率饱和级抗饱和输入(G)、对拉式反偏压驱动(I)、死区保证(J)、控制(K)、软启动(L)、减流式保护(H)、比例电压产生(M)、输出短路保护(N)、蓄电池保护(P)、20KHz高频荧光灯(R)、5W音乐电笛产生电路等组成。主要应用在无轨电车上做为照明、信号、电雨刷、门泵电磁阀、可控硅调速电路等多功能的稳压电源。
文档编号H02M3/135GK1040464SQ86108169
公开日1990年3月14日 申请日期1986年11月27日 优先权日1986年11月27日
发明者张作庆, 巩玉新, 任传科 申请人:泰安无线电总厂