單端反激電路在逆變電源中的應用

摘 要：介紹了一種采用多管并聯(lián)和能量回饋技術的單端反激電路，該電路在低壓供電的逆變電源中使用，具有電路簡單、效率高、穩(wěn)定可靠等特點。

0 引言

目前，由電池供電的逆變電源一般由兩級組成，前級DC/DC電路將電池電壓變換成直流約350V電壓，后級DC/AC電路將直流350V電壓變換為交流220V電壓。在這類逆變電源中，前級DC/DC電路一般供電電壓較低(12V、24V或48V)，輸入電流較大，功率管導通壓降高，損耗大，所以電源效率很難提高。其電路形式有：單端反激、單端正激、雙管正激、半橋和全橋等，對于中小功率(約0.5~1kW)而言，單端反激電路具有一定優(yōu)勢，如：電路簡單、控制方便、效率高等。本文以24V電池供電，輸出350V/1kW為例，對單端反激電路，在逆變電源前級DC/DC電路中的應用做一些探討。

1 常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電路的缺點在于功率管VT截止時，變壓器初級的反峰能量，被VD1、C 1和R 1組成的吸收電路消耗掉;而且在輸出功率相同的情況下，功率管通過電流(相對于多管并聯(lián))大，導通壓降高，損耗大，所以效率和可靠性較低。

圖1 常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

2 多管并聯(lián)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該電路的特點是，主功率電路采用4只功率管并聯(lián)，每只功率管通過的電流為單管應用時的1/4(假定4只功率管參數(shù)一致)，則功率管的導通壓降也應為單管應用時的1/4.根據(jù)計算，在輸出550W時，理論上，4管并聯(lián)比單管可減小通態(tài)損耗約20W,提高效率近3個百分點。

圖2 4只功率管并聯(lián)主功率電路

3 采用能量回饋技術的單端反激電路結(jié)構(gòu)

采用能量回饋技術的單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要波形如圖4所示。在本電路中，用電容C 2、電感L 1、二極管VD1和VD2組成變壓器初級反峰吸收電路，可使大部分反峰能量回饋到輸入電容C 1上，減少了能量損耗，提高了電路效率。

圖3 初級反峰吸收電路

圖4 初級反峰吸收電路主要波形

其工作原理如下：

(1)t 0~t 1階段。

t 0時刻功率管截止，變壓器初級電感L 、漏感L K、電容C 2和功率管輸出電容C 0開始諧振，并很快使C 2電壓達到U 0(N 1/N 2)，隨后次級二極管導通，初級電壓被鉗位到U 0(N 1/N 2)，初級電感L 退出諧振，到t 1時刻I K為0,同時C 2和C 0上電壓達到最大值，即開關管電壓U S達到最大值(U IN+U C2MXA)。

(2) t 1~t 2階段。

在L K、C 2、C 0繼續(xù)諧振，同時電感L 1參與諧振，C 2、C 0給輸入電容C 1回饋能量，并且給L 1補充能量，到t 2時刻諧振停止，C 2電壓又下降到U 0(N 1/N 2)。

(3)t 2~t 3階段。

t 2時刻開始，電感L 1給輸入電容C 1回饋能量。

C 2電壓被鉗位在(N 1/N 2)U 0、C 0即開關管上電壓為U IN+(N 1/N 2)U 0,均保持不變，到t 3時刻，L 1中能量釋放完畢。

(4)t 3~t 4階段。

開關管完全截止，C 2電壓、C 0電壓(即開關管電壓)繼續(xù)保持不變。

(5)t 4~t 5階段。

t 4時刻功率管導通，其電壓U S開始下降，C 0開始通過開關管放電，并很快放完畢(全部損耗在功率管上);C 2和L 1開始諧振，即把C 2中的能量轉(zhuǎn)移到L 1中，在t 5時刻L 1中電流達到最大值，功率管完全導通。

(6)t 5~t 6階段。

t 5時刻L 1通過VD1和VD2給輸入電容C 1回饋能量，并給C 2充電到-U IN,到t 6時刻L 1中能量釋放完畢。

(7)t 6~t 7階段。

該階段功率管繼續(xù)處于完全導通狀態(tài)。

以上過程形成一個完整工作周期，可以看出，變壓器漏感中的能量大部分被回饋到輸入電容C 1中(C 0中有部分能量被消耗掉)，所以電源效率得到提高。

4 主要器件電壓電流應力計算

由圖3及原理分析，可得到如下計算公式：

其中：U SMAX即U C0MAX為功率管VT1~VT4所承受的最大電壓應力;

U INMIN為輸入電壓最小值(取21V);

U 0為輸出電壓(取350V);

N 1、N 2為變壓器初次級匝數(shù)(取15匝和117匝);

△U C2由漏感引起的尖峰電壓;

I PK為漏感即初級峰值電流;

L K為初級漏感(取0.4μH);

C 2為外接電容(取30000pF);

C 0為VT1~VT4輸出電容之和(取4000pF);

I PAV為功率管導通期間總電流平均值;

η為電源效率(取92%);

D MAX為最大占空比(取0.7);

△I p為開關管導通期電流變化量;

t ONMAX為開關管最大導通時間(取23μs);

L為變壓器初級電感值(取38μH);

I L1MAX為L 1(取0.5mH)中通過的最大電流;

P LK為漏感回饋到輸入端的能量;

f為功率管開關頻率(取30kHz)。

由以上(1)~(6)式推導和化簡，可得出下式：

由(7)~(11)式可計算出功率管、電感L 1所承受的電流電壓應力(輸出功率550W時)以及反峰吸收電路回饋到輸入端的能量：

I PK=47A

U SMAX=188V

I L1MAX=1.5A

P LK=13.25W

同時由(7)~(11)式還可以看出：

(1)若要減小開關管電流應力I PK,則應增加占空比D和變壓器初級電感量L ;

(2)若要減小開關管電壓應力U SMAX,則應減小變壓器初級漏感L K,同時增加C 2值(C 0的值由功率管參數(shù)決定);

(3)若要減小電感L 1中最大電流I L1MAX,則應增大電感L 1的電感量;(4)采用反峰吸收電路后，節(jié)省能量13.25W,可提高電源效率約2個百分點。

由以上計算可知，4只功率管額定電流至少應大于50A,考慮到功率管參數(shù)的差異性，其導通電流不完全相等，并且一般要留一定的安全裕量，所以，實際應用每只功率管額定電流值應大于50A,通態(tài)電阻愈小愈好，而耐壓最好大于250V.

根據(jù)如下公式，可出計算出二極管VD0所承受的電壓應力U D0、電流應力I SK:

由U DO=U 0+U INMAXN 2/N 1 (12)

得：U DO=584V

由I PKN 1=I SKN 2 (13)

得：I SK=6A

其中：I SK為次級峰值電流值。

一般要留一定的安全裕量，所以，而選用二極管額定電壓應大于800V,額定電流應大于20A(考慮到過流、短路等因素)。

5 兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

若要增加輸出功率，采用如圖5并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)可輸出功率約1.1kW,用一只SG3525控制即可。

圖5 兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

6 試驗結(jié)果

由兩路單端反激并聯(lián)組成的逆變電源前級DC/DC電路(見圖5)，輸出功率約1.1kW,試驗結(jié)果如表1所示。

表1 前級DC/DC試驗結(jié)果

由上述DC/DC電路組成的1kVA逆變電源，輸出AC220V50Hz正弦波，試驗結(jié)果如表2所示，該電源體積320×200×60mm3.

表2 1kVA逆變電源試驗結(jié)果

7 結(jié)束語

綜上所述，對于電池(或發(fā)電機)供電的低壓輸入逆變電源，采用單端反激多管并聯(lián)以及能量回饋技術實現(xiàn)的前級DC/DC,和采用其它形式實現(xiàn)的前級DC/DC相比，具有電路簡單、控制方便、效率高、體積小和可靠性高等特點。