一、引言

1.研究背景與意義

在工業自動化控制領域，穩定且高效的電源供應是確保各類設備正常運行的關鍵因素之一。隨著工業自動化程度的不斷提高，對電源的性能要求也日益嚴苛，不僅要求電源能夠提供穩定可靠的電壓輸出，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。

傳統的工業自動化控制設備中，穩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，導致能源浪費嚴重；功耗較大，增加了運行成本；紋波及噪聲干擾大，對系統的穩定性和可靠性產生不利影響。此外，推挽變換電路對輸出開關功率對管的要求極高，一旦功率開關的參數不一致或不對稱，就容易造成高頻變壓器磁芯的單向偏磁現象，進而引發磁芯飽和，最終導致輸出開關功率對管損壞，這無疑增加了系統的維護成本和故障風險。

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動倍壓變換電路，以期克服傳統穩壓電源的缺陷，為工業自動化控制提供更為優質的電源解決方案。該電路通過獨特的設計，利用反饋式變壓器的飽和來精準控制晶體管的開關過程，有效消除了開關管導通和關斷時出現的電流尖峰，使功率變壓器的效率得到顯著提升，功耗大幅降低。同時，這種控制方式還能確保主功率變壓器不易進入飽和狀態，從而極大地減少了輸出開關功率對管損壞的可能性，提高了系統的穩定性和可靠性，具有重要的理論研究價值和實際應用意義。

2.研究目標與方法

本研究旨在實現以下目標：

優化電路性能：深入探究雙變壓器自激振蕩式半橋驅動倍壓變換電路的工作原理和特性，通過理論分析和實驗驗證，進一步優化電路參數，提高電路的效率、穩定性和可靠性，降低功耗和紋波噪聲，使其性能指標達到或優于同類電源電路。

拓展應用領域：研究該電路在不同工業自動化控制場景下的適用性和可擴展性，探索其在各種復雜工況和負載條件下的應用潛力，為工業自動化設備提供更加多樣化和個性化的電源解決方案，推動其在工業領域的廣泛應用。

完善理論體系：對雙變壓器自激振蕩式半橋驅動倍壓變換電路進行深入的理論研究，建立準確的數學模型和等效電路，揭示其內在的物理規律和工作機制，為電路的設計、優化和應用提供堅實的理論基礎，豐富和完善工業自動化控制電源技術的理論體系。

二、電路的工作原理

1. 電路結構組成

本研究提出的雙變壓器自激振蕩式半橋驅動倍壓變換電路，主要由EMI濾波電路、LDO穩壓電路、半橋變換電路、半橋驅動電路以及輸出整流濾波電路等部分組成，各部分電路相互協作，共同實現高效穩定的電壓變換功能。

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，針對某干擾信號的頻率選用合適的干擾抑制鐵氧體磁環，從而讓低頻的有用信號順利通過，對高頻干擾起到抑制作用。為后續電路提供較為純凈的直流電源輸入，確保電路的穩定運行，減少電磁干擾對電路性能的影響。

1.2 LDO穩壓電路

LDO穩壓電路由低壓差穩壓芯片U1、電阻R2、電阻R1、電容C2組成。該電路能夠將外部直流電源電壓（如20V至30V之間的某一電壓值UA），通過低壓差穩壓芯片U1的穩壓作用，結合電阻R1和R2的分壓調節以及電容C2的濾波功能，變換成所需的穩定直流電壓（如18V的UB電壓），為后續半橋變換電路和半橋驅動電路提供穩定的電源，保證電路中各元件能夠在穩定的電壓下正常工作，避免因電源電壓波動對電路性能產生不利影響。

1.3 半橋變換電路

半橋變換電路包括半橋功率開關管電路和半橋電容橋臂電路。半橋功率開關管電路由NPN、PNP復合管Q1組成，半橋電容橋臂電路由電容C7、電容C8組成。當電路通電后，由于電容C5被充電，當電容C5上的電壓達到一定數值時（即能讓NPN三極管導通的電壓值），NPN三極管導通，此時電流流向為：18V電源、上橋NPN三極管、反饋式變壓器E2的初級繞組T1、主變壓器E1的初級繞組T3、電容C8、接地端GND，形成回路。在這個過程中，通過反饋式變壓器E2的初級繞組T1的電流變化會產生變化的磁通量，當反饋式變壓器E2的磁芯達到飽和時，由反饋式變壓器E2的次級繞組T2來控制NPN三極管的關斷，控制PNP三極管的導通，這種連接結構使得由一個晶體管的關斷過程啟動另一個晶體管的導通過程，可以消除交叉導通帶來的電流尖峰問題，從而實現高效穩定的電壓變換功能，將輸入電壓轉換為適合后續電路處理的交流電壓形式，并通過主變壓器E1傳輸功率，為整個電路的能量轉換和傳輸起到關鍵作用。

1.4 半橋驅動電路

半橋驅動電路包括反饋式變壓器E2的次級繞組T2、上管觸發電路和下管觸發電路。上管觸發電路由電阻R3、電容C5、二極管D1組成，下管觸發電路由電阻R4、電容C6、二極管D2組成。在電路工作時，當NPN三極管關斷時，PNP三極管導通，而后又由反饋式變壓器E2控制PNP三極管關斷，NPN三極管導通，這種方式由一個晶體管的關斷過程啟動另一個晶體管的導通過程，所以消除了交叉導通。由于反饋變壓器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的階梯形飽和不會出現，甚至兩個晶體管儲存時間上的差異也能調節。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，可以消除功率開關管導通和關斷時出現的電流尖峰，使功率變壓器具有更好的效率，功耗降低，從而精準地控制半橋功率開關管的導通與關斷，確保電路的穩定工作狀態，提高電路的可靠性和穩定性。同時，也有助于提高功率傳輸效率，降低功耗，為整個電路的高效運行提供有力保障。

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導電性和電容的儲能濾波特性，將主變壓器E1次級繞組輸出的交流電壓轉換為穩定的直流電壓。當交流電壓通過二極管D3和D4組成的全橋倍壓整流電路時，電容C9和C10起到儲能和濾波的作用，能夠有效減少電壓的紋波，最后在電容C11上獲得穩定的直流電壓輸出（如24V直流電壓），為負載提供穩定可靠的電源，滿足工業自動化控制設備對電源穩定性和純凈度的要求，確保設備的正常運行，減少因電源波動對設備性能產生的影響。

2. 自激振蕩過程分析

電路接通后，外接直流電壓經EMI濾波電路中LC濾波之后，輸入LDO穩壓電路，由LDO低壓差穩壓芯片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動電路上。對于半橋變換電路，18V直流電壓加在NPN三極管（上橋NPN三極管）集電極上；對于半橋驅動電路，18V直流電壓經電阻R3（上管偏置電阻R3）、反饋式變壓器E2的次級繞組T2給電容C5（上橋加速電容C5）充電，當上橋加速電容C5上的電壓達到能使上橋NPN三極管Q11導通時，此時電流流向為：18V電源、上橋NPN三極管、反饋式變壓器E2的初級繞組T1、主變壓器E1的初級繞組T3、電容C8（上橋電容C8）、接地端GND，形成回路。

此時，在反饋式變壓器E2的初級繞組T1上，電流流向為從第4端至第3端（即下至上），形成下正上負的電動勢。根據同名端原理，在反饋式變壓器E2的次級繞組T2上，電流流向為從第1端至第2端（即從上至下），形成上正下負的感應電動勢。此感應電動勢使上橋NPN三極管集電極電流進一步增加，這是一個正反饋的過程，使得上橋NPN三極管很快就達到飽和導通的狀態。

流過初級繞組T1的電流以及由此電流引起的磁通也會線性的增加，當反饋式變壓器E2磁芯的磁通量接近或者達到飽和值時，上橋NPN三極管集電極的電流就會急劇增加，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的初級繞組T1、次級繞組T2上的感應電動勢也接近零。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，由于正反饋作用，反饋式變壓器E2的初級繞組T1上電壓將反向形成上正下負的電動勢，反饋式變壓器E2的次級繞組T2形成下正上負的電動勢，此時PNP三極管（下橋PNP三極管）導通，上橋NPN三極管完全關斷，之后下橋PNP三極管將進行與上橋NPN三極管相同的工作周期。如此循環往復，形成自激振蕩過程，從而實現了電路的穩定工作，為后續的電壓變換和功率傳輸提供了穩定的驅動信號，確保整個電路能夠持續、高效地運行，滿足工業自動化控制對電源的需求。

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構，由電容C9、電容C10、二極管D3、二極管D4組成。當主變壓器E1的次級繞組T4輸出交流電壓時，在正半周期間，電流通過二極管D3對電容C9充電，使電容C9上的電壓逐漸升高；在負半周期間，電流通過二極管D4對電容C10充電，使電容C10上的電壓逐漸升高。由于電容C9和C10的串聯結構，使得輸出電壓為兩個電容電壓之和，從而實現了倍壓的效果。經過這樣的倍壓整流過程，能夠在電容C11上獲得穩定的直流電壓輸出，且該輸出電壓相比傳統整流電路具有更高的幅值，滿足了一些對電壓要求較高的工業自動化控制設備的需求，提高了電源的適用性和實用性；同時也有助于減小主變壓器的升壓倍數，簡化主變壓器的設計，降低成本和體積，為電路在工業現場的應用提供了更有利的條件。

三、電路的應用案例分析

1. 工業自動化控制系統中的應用-軌裝式信號隔離器電源

在工業自動化控制中，軌裝式信號隔離器被廣泛應用，其對電源的穩定性和可靠性要求極高。傳統的穩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，且對輸出開關功率對管要求高，容易因功率開關的參數不一致或不對稱造成高頻變壓器磁芯的單向偏磁現象，進而引起磁芯飽和，導致輸出開關功率對管損壞。

本雙變壓器自激振蕩式半橋驅動倍壓變換電路為軌裝式信號隔離器提供了更優質的電源解決方案，例如：在某工業自動化生產線的信號隔離系統中，采用了該電路作為軌裝式信號隔離器的電源。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穩壓電路將輸入的24V直流電壓穩定轉換為18V，為后續電路提供了穩定的電源；半橋變換電路和半橋驅動電路通過反饋式變壓器E2精準控制功率開關管的工作狀態轉換，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定的24V直流電壓，為信號隔離器提供了可靠的電源保障。

實際運行結果表明，信號隔離器的工作穩定性和精度得到了顯著提升。在長期運行過程中，很少出現因電源問題導致的信號失真或設備故障現象，有效提高了工業自動化控制系統的可靠性和穩定性，保障了生產線的正常運行。