单端反激电路在逆变电源中的应用

　　摘 要：介绍了一种采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路，该电路在低压供电的逆变电源中使用，具有电路简单、效率高、稳定可靠等特点。

　　0 引言

　　目前，由电池供电的逆变电源一般由两级组成，前级DC/DC电路将电池电压变换成直流约350V电压，后级DC/AC电路将直流350V电压变换为交流220V电压。在这类逆变电源中，前级DC/DC电路一般供电电压较低（12V、24V或48V），输入电流较大，功率管导通压降高，损耗大，所以电源效率很难提高。其电路形式有：单端反激、单端正激、双管正激、半桥和全桥等，对于中小功率（约0.5~1kW）而言，单端反激电路具有一定优势，如：电路简单、控制方便、效率高等。本文以24V电池供电，输出350V/1kW为例，对单端反激电路，在逆变电源前级DC/DC电路中的应用做一些探讨。

　　1 常规单端反激电路结构

　　常规单端反激电路结构如图1所示，该电路的缺点在于功率管VT截止时，变压器初级的反峰能量，被VD1、C 1和R 1组成的吸收电路消耗掉；而且在输出功率相同的情况下，功率管通过电流（相对于多管并联）大，导通压降高，损耗大，所以效率和可靠性较低。

图1 常规单端反激电路结构

　　2 多管并联的单端反激电路结构

　　如图2所示，该电路的特点是，主功率电路采用4只功率管并联，每只功率管通过的电流为单管应用时的1/4（假定4只功率管参数一致），则功率管的导通压降也应为单管应用时的1/4.根据计算，在输出550W时，理论上，4管并联比单管可减小通态损耗约20W,提高效率近3个百分点。

图2 4只功率管并联主功率电路

　　3 采用能量回馈技术的单端反激电路结构

　　采用能量回馈技术的单端反激电路结构如图3所示，其主要波形如图4所示。在本电路中，用电容C 2、电感L 1、二极管VD1和VD2组成变压器初级反峰吸收电路，可使大部分反峰能量回馈到输入电容C 1上，减少了能量损耗，提高了电路效率。

图3 初级反峰吸收电路

图4 初级反峰吸收电路主要波形

　　其工作原理如下：

　　（1）t 0~t 1阶段。

　　t 0时刻功率管截止，变压器初级电感L 、漏感L K、电容C 2和功率管输出电容C 0开始谐振，并很快使C 2电压达到U 0（N 1/N 2），随后次级二极管导通，初级电压被钳位到U 0（N 1/N 2），初级电感L 退出谐振，到t 1时刻I K为0,同时C 2和C 0上电压达到值，即开关管电压U S达到值（U _IN+U _C2MXA）。

　　（2） t 1~t 2阶段。

　　在L K、C 2、C 0继续谐振，同时电感L 1参与谐振，C 2、C 0给输入电容C 1回馈能量，并且给L 1补充能量，到t 2时刻谐振停止，C 2电压又下降到U 0（N 1/N 2）。

　　（3）t 2~t 3阶段。

　　t 2时刻开始，电感L 1给输入电容C 1回馈能量。

　　C 2电压被钳位在（N 1/N 2）U 0、C 0即开关管上电压为U IN+（N 1/N 2）U 0,均保持不变，到t 3时刻，L 1中能量释放完毕。

　　（4）t 3~t 4阶段。

　　开关管完全截止，C 2电压、C 0电压（即开关管电压）继续保持不变。

　　（5）t 4~t 5阶段。

　　t 4时刻功率管导通，其电压U S开始下降，C 0开始通过开关管放电，并很快放完毕（全部损耗在功率管上）；C 2和L 1开始谐振，即把C 2中的能量转移到L 1中，在t 5时刻L 1中电流达到值，功率管完全导通。

　　（6）t 5~t 6阶段。

　　t 5时刻L 1通过VD1和VD2给输入电容C 1回馈能量，并给C 2充电到-U IN,到t 6时刻L 1中能量释放完毕。

　　（7）t 6~t 7阶段。

　　该阶段功率管继续处于完全导通状态。

　　以上过程形成一个完整工作周期，可以看出，变压器漏感中的能量大部分被回馈到输入电容C 1中（C 0中有部分能量被消耗掉），所以电源效率得到提高。

　　4 主要器件电压电流应力计算

　　由图3及原理分析，可得到如下计算公式：

　　其中：U _SMAX即U _C0MAX为功率管VT1~VT4所承受的电压应力；

　　U _INMIN为输入电压值（取21V）；

　　U 0为输出电压（取350V）；

　　N 1、N 2为变压器初次级匝数（取15匝和117匝）；

　　△U _C2由漏感引起的尖峰电压；

　　I _PK为漏感即初级峰值电流；

　　L K为初级漏感（取0.4μH）；

　　C 2为外接电容（取30000pF）；

　　C 0为VT1~VT4输出电容之和（取4000pF）；

　　I _PAV为功率管导通期间总电流平均值；

　　η为电源效率（取92%）；

　　D _MAX为占空比（取0.7）；

　　△I p为开关管导通期电流变化量；

　　t _ONMAX为开关管导通时间（取23μs）；

　　L为变压器初级电感值（取38μH）；

　　I _L1MAX为L 1（取0.5mH）中通过的电流；

　　P _LK为漏感回馈到输入端的能量；

　　f为功率管开关频率（取30kHz）。

　　由以上（1）~（6）式推导和化简，可得出下式：

　　由（7）~（11）式可计算出功率管、电感L 1所承受的电流电压应力（输出功率550W时）以及反峰吸收电路回馈到输入端的能量：

　　I _PK=47A

　　U _SMAX=188V

　　I _L1MAX=1.5A

　　P _LK=13.25W

　　同时由（7）~（11）式还可以看出：

　　（1）若要减小开关管电流应力I _PK,则应增加占空比D和变压器初级电感量L ;

　　（2）若要减小开关管电压应力U _SMAX,则应减小变压器初级漏感L K,同时增加C 2值（C 0的值由功率管参数决定）；

　　（3）若要减小电感L 1中电流I _L1MAX,则应增大电感L 1的电感量；（4）采用反峰吸收电路后，节省能量13.25W,可提高电源效率约2个百分点。

　　由以上计算可知，4只功率管额定电流至少应大于50A,考虑到功率管参数的差异性，其导通电流不完全相等，并且一般要留一定的安全裕量，所以，实际应用每只功率管额定电流值应大于50A,通态电阻愈小愈好，而耐压大于250V.

　　根据如下公式，可出计算出二极管VD0所承受的电压应力U D0、电流应力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为次级峰值电流值。

　　一般要留一定的安全裕量，所以，而选用二极管额定电压应大于800V,额定电流应大于20A（考虑到过流、短路等因素）。

　　5 两路单端反激并联电路结构

　　若要增加输出功率，采用如图5并联结构，该电路结构可输出功率约1.1kW,用一只SG3525控制即可。

图5 两路单端反激并联电路结构

　　6 试验结果

　　由两路单端反激并联组成的逆变电源前级DC/DC电路（见图5），输出功率约1.1kW,试验结果如表1所示。

表1 前级DC/DC试验结果

　　由上述DC/DC电路组成的1kVA逆变电源，输出AC220V50Hz正弦波，试验结果如表2所示，该电源体积320×200×60mm³.

表2 1kVA逆变电源试验结果

　　7 结束语

　　综上所述，对于电池（或发电机）供电的低压输入逆变电源，采用单端反激多管并联以及能量回馈技术实现的前级DC/DC,和采用其它形式实现的前级DC/DC相比，具有电路简单、控制方便、效率高、体积小和可靠性高等特点。