中心議題：

• 常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)
• 多管并聯(lián)的單端反激電路結(jié)構(gòu)
• 采用能量回饋技術(shù)的單端反激電路結(jié)構(gòu)
• 主要器件電壓電流應(yīng)力計(jì)算

解決方案：

• 兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

本文介紹了一種采用多管并聯(lián)和能量回饋技術(shù)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(jiǎn)單、效率高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

0 引言

目前，由電池供電的逆變電源一般由兩級(jí)組成，前級(jí)DC/DC電路將電池電壓變換成直流約350V電壓，后級(jí)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(jí)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(dǎo)通壓降高，損耗大，所以電源效率很難提高。其電路形式有：?jiǎn)味朔醇?、單端正激、雙管正激、半橋和全橋等，對(duì)于中小功率（約0.5~1kW）而言，單端反激電路具有一定優(yōu)勢(shì)，如：電路簡(jiǎn)單、控制方便、效率高等。本文以24V電池供電，輸出350V/1kW為例，對(duì)單端反激電路，在逆變電源前級(jí)DC/DC電路中的應(yīng)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(diǎn)在于功率管VT截止時(shí)，變壓器初級(jí)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(guò)電流（相對(duì)于多管并聯(lián)）大，導(dǎo)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(diǎn)是，主功率電路采用4只功率管并聯(lián)，每只功率管通過(guò)的電流為單管應(yīng)用時(shí)的1/4（假定4只功率管參數(shù)一致），則功率管的導(dǎo)通壓降也應(yīng)為單管應(yīng)用時(shí)的1/4.根據(jù)計(jì)算，在輸出550W時(shí)，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(gè)百分點(diǎn)。

圖2 4只功率管并聯(lián)主功率電路[page]

3 采用能量回饋技術(shù)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

采用能量回饋技術(shù)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(jí)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(jí)反峰吸收電路

圖4 初級(jí)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(shí)刻功率管截止，變壓器初級(jí)電感L 、漏感L K、電容C 2和功率管輸出電容C 0開(kāi)始諧振，并很快使C 2電壓達(dá)到U 0（N 1/N 2），隨后次級(jí)二極管導(dǎo)通，初級(jí)電壓被鉗位到U 0（N 1/N 2），初級(jí)電感L 退出諧振，到t 1時(shí)刻I K為0,同時(shí)C 2和C 0上電壓達(dá)到最大值，即開(kāi)關(guān)管電壓U S達(dá)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(shí)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(bǔ)充能量，到t 2時(shí)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(shí)刻開(kāi)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(kāi)關(guān)管上電壓為U IN+（N 1/N 2）U 0,均保持不變，到t 3時(shí)刻，L 1中能量釋放完畢。

（4）t 3~t 4階段。
開(kāi)關(guān)管完全截止，C 2電壓、C 0電壓（即開(kāi)關(guān)管電壓）繼續(xù)保持不變。

（5）t 4~t 5階段。
t 4時(shí)刻功率管導(dǎo)通，其電壓U S開(kāi)始下降，C 0開(kāi)始通過(guò)開(kāi)關(guān)管放電，并很快放完畢（全部損耗在功率管上）；C 2和L 1開(kāi)始諧振，即把C 2中的能量轉(zhuǎn)移到L 1中，在t 5時(shí)刻L 1中電流達(dá)到最大值，功率管完全導(dǎo)通。

（6）t 5~t 6階段。
t 5時(shí)刻L 1通過(guò)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(shí)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(dǎo)通狀態(tài)。

以上過(guò)程形成一個(gè)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。
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4 主要器件電壓電流應(yīng)力計(jì)算

由圖3及原理分析，可得到如下計(jì)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(yīng)力；U_INMIN為輸入電壓最小值（取21V）；U₀為輸出電壓（取350V）；N₁、N₂為變壓器初次級(jí)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(jí)峰值電流；L_K為初級(jí)漏感（取0.4μH）；C₂為外接電容（取30000pF）；C₀為VT1~VT4輸出電容之和（取4000pF）；I_PAV為功率管導(dǎo)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期電流變化量；t_ONMAX為開(kāi)關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間（取23μs）；L為變壓器初級(jí)電感值（取38μH）；I_L1MAX為L(zhǎng)₁（取0.5mH）中通過(guò)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(kāi)關(guān)頻率（取30kHz）。

由以上（1）~（6）式推導(dǎo)和化簡(jiǎn)，可得出下式：

由（7）~（11）式可計(jì)算出功率管、電感L1所承受的電流電壓應(yīng)力（輸出功率550W時(shí)）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(shí)由（7）~（11）式還可以看出：
（1）若要減小開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力I_PK,則應(yīng)增加占空比D和變壓器初級(jí)電感量L;
（2）若要減小開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力U_SMAX,則應(yīng)減小變壓器初級(jí)漏感L_K，同時(shí)增加C2值（C 0的值由功率管參數(shù)決定）；
（3）若要減小電感L1中最大電流I_L1MAX，則應(yīng)增大電感L1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(gè)百分點(diǎn)。

由以上計(jì)算可知，4只功率管額定電流至少應(yīng)大于50A,考慮到功率管參數(shù)的差異性，其導(dǎo)通電流不完全相等，并且一般要留一定的安全裕量，所以，實(shí)際應(yīng)用每只功率管額定電流值應(yīng)大于50A,通態(tài)電阻愈小愈好，而耐壓最好大于250V.
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根據(jù)如下公式，可出計(jì)算出二極管VD0所承受的電壓應(yīng)力U_DO、電流應(yīng)力I_SK：

由U_DO=U₀+U_INMAXN₂/N₁ （12）
得：U_DO=584V
由I_PKN₁=I_SKN₂ （13）
得：I_SK=6A
其中：I_SK為次級(jí)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(yīng)大于800V，額定電流應(yīng)大于20A（考慮到過(guò)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(yàn)結(jié)果

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

表1 前級(jí)DC/DC試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于電池（或發(fā)電機(jī)）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(shù)實(shí)現(xiàn)的前級(jí)DC/DC,和采用其它形式實(shí)現(xiàn)的前級(jí)DC/DC相比，具有電路簡(jiǎn)單、控制方便、效率高、體積小和可靠性高等特點(diǎn)。