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采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

2018年07月21日 08:45 次阅读

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。

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

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。

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

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。

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

图3 初级反峰吸收电路

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

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上电压达到最大值,即开关管电压U S达到最大值(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中电流达到最大值,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:

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

其中:U SMAX即U C0MAX为功率管VT1~VT4所承受的最大电压应力;

U INMIN为输入电压最小值(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为最大占空比(取0.7);

△I p为开关管导通期电流变化量;

t ONMAX为开关管最大导通时间(取23μs);

L为变压器初级电感值(取38μH);

I L1MAX为L 1(取0.5mH)中通过的最大电流;

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:

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

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中最大电流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,而耐压最好大于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。

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

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

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

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&TImes;200&TImes;60mm3.

表2 1kVA逆变电源试验结果

采用多管并联和能量回馈技术的单端反激电路在低压供电逆变电源中有什么应用?

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。

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发表于 2016-11-14 10:10 511次阅读
一种自适应逆变电源的设计与实现

关于实时功率GaN波形监视的设计方案

功率氮化镓 (GaN) 器件是电源设计人员工具箱内令人激动的新成员。特别是对于想要深入研究GaN的较...

发表于 2016-11-05 01:10 166次阅读
关于实时功率GaN波形监视的设计方案

飞利浦、欧普照明等五款吸顶灯深度测评

此次评测,阿拉丁评测室就从家用LED吸顶灯入手,试图通过专业测试数据+业内大咖点评来为大家在以后的选...

发表于 2016-06-07 14:56 10965次阅读
飞利浦、欧普照明等五款吸顶灯深度测评

图文讲解逆变电源的控制方式

在本文中,小编将为大家介绍逆变电源中较为重要的控制系统部分,采用图文结合的方式来帮助读者们理解逆变电...

发表于 2015-12-30 14:03 2406次阅读
图文讲解逆变电源的控制方式

如何提高逆变电源供电质量的硬件控制?

本文介绍了逆变电源供电质量与可靠性提升设计的硬件部分内容。逆变电源的控制方法并不唯一,每一种控制方法...

发表于 2015-12-08 16:24 1146次阅读
如何提高逆变电源供电质量的硬件控制?

功率稳压逆变电源电路设计—电路图天天读(263)

本文介绍了一种功率稳压逆变电源,具有工作稳定可靠、输入功率因数高、输出精 度高、波形失真度小、效率高...

发表于 2015-10-19 11:09 4165次阅读
功率稳压逆变电源电路设计—电路图天天读(263)

根据功率特征阻抗选择电压电流接线方法

早在初中的物理课中我们就已经接触到功率测量了,当时用的是独立的电流表和电压表。遥想当年,老师反复强调...

发表于 2015-08-05 17:56 481次阅读
根据功率特征阻抗选择电压电流接线方法

过流短路保护对逆变电源的重要性

由于逆变电源在电路中肩负着直流和交流之间的转换,所以其安全性就显得尤为重要。如果逆变电源出现短路的情...

发表于 2015-07-24 10:30 639次阅读
过流短路保护对逆变电源的重要性

详解六种逆变电源的控制算法

在电路中将直流电转换为交流电的过程称之为逆变,这种转换通常通过逆变电源来实现。这就涉及到在逆变过程中...

发表于 2015-04-07 10:48 4083次阅读
详解六种逆变电源的控制算法

基于Matlab的孤立逆变电源设计方案

随着新能源技术的发展,微电网技术得到了越来越广泛的应用。逆变源作为微电网的主要组成部分,逆变源工作的...

发表于 2013-10-11 13:51 1926次阅读
基于Matlab的孤立逆变电源设计方案

一款功率稳压逆变电源的设计应用

目前国内大多数采用的长延时热脱扣试验方案是通过变压器直接对断路器施加一个电压以获得测试电流。在测试过...

发表于 2013-10-08 10:51 6240次阅读
一款功率稳压逆变电源的设计应用

一款多功能逆变电源的设计方案

传统的逆变电源多为模拟控制或数字相结合的控制系统。好的逆变电源电压输出波形主要包括稳态精度高,动态性...

发表于 2013-09-24 11:36 2245次阅读
一款多功能逆变电源的设计方案

一款并联谐振逆变电源设计方案

逆变器在感应加热电源中起着十分重要的作用,根据逆变器的特点,逆变电源分为串联谐振和并联谐振两种。本文...

发表于 2013-09-17 11:39 2290次阅读
一款并联谐振逆变电源设计方案

多功能逆变电源的设计要诀:在逆变器结构做文章

随着现代科技的发展,逆变电源广泛应用到各行各业,进而对其性能提出了更高的要求。传统的逆变电源多为模拟...

发表于 2013-09-04 14:05 833次阅读
多功能逆变电源的设计要诀:在逆变器结构做文章

TT electronics在PCIM Asia...

TT electronics公司在PCIM Asia 2013展会上重点展示了瞄准运输、航空电子和能...

发表于 2013-06-20 11:03 526次阅读
TT electronics在PCIM Asia...

介绍基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源...

在风电行业中,经常需要在野外对风机进行维修,这时必须为各类维修工具和仪器进行供电。因此,设计一种便携...

发表于 2013-06-18 11:03 1850次阅读
介绍基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源...

基于PIC单片机的智能化逆变电源控制系统

在充分考虑工业控制成本及稳定性要求的前提下,本设计采用PIC单片机作为控制核心,再辅助相关外部电路,...

发表于 2013-05-07 11:31 2113次阅读
基于PIC单片机的智能化逆变电源控制系统

合肥阳光电源:产业的发展和政策有关

2012年12月20日,由大比特资讯机构主办、半导体器件应用网承办的第二届太阳能光伏关键元器件技术与...

发表于 2012-12-10 15:12 614次阅读
合肥阳光电源:产业的发展和政策有关

医用逆变电源的作用和特点分析

众所周知,对医疗单位而言,电力保障是非常重要的,因此我们常常看到医疗单位在电力保障方面都会予以严格的...

发表于 2012-10-22 09:50 332次阅读
医用逆变电源的作用和特点分析

应用于太阳能光伏电站并网逆变电源系统

1. 系统功能说明 使用LPCS2000B开发的风光太阳能光伏电站逆变电源系统,主要功能是将太阳能电...

发表于 2012-10-15 14:03 446次阅读
应用于太阳能光伏电站并网逆变电源系统

音箱功率参数的秘密

谈到音箱的参数,功率是最多被我们提到的。我们甚至很容易看到,两款同样功率的音箱,在中等或较大音量下有...

发表于 2012-09-29 13:42 1283次阅读
音箱功率参数的秘密

如何提高功率因数的方法

用电功率因数是指用电负荷的有功功率与视在功率的比值。电力用户用电设备,如变压器、感应电动机、电力线路...

发表于 2012-09-28 16:58 17916次阅读
如何提高功率因数的方法

基于UC2525的交流逆变电源设计

本电源应用于一个交流电压转换的前端,输入的控制信号是4VAC,输入电源是350VDC。输出信号应跟输...

发表于 2012-09-03 14:24 1422次阅读
基于UC2525的交流逆变电源设计

空调功率计算_空调功率怎么看

我们现在讲空调的大小主要用匹来表示:1匹、1.5匹。匹是指空调的消耗功率,平时我们所说的空调是多少匹...

发表于 2012-08-22 17:39 70636次阅读
空调功率计算_空调功率怎么看

弧焊逆变电源谐波的产生与抑制分析

针对弧焊逆变电源谐波产生的原因、特点及危害,介绍了无源滤波器、有源滤波器、软开关技术等抑制对策,以及...

发表于 2012-07-19 16:44 581次阅读
弧焊逆变电源谐波的产生与抑制分析

一种多单元串联大功率逆变电源的控制方法

本文分析了多单元串联大功率逆变电源的控制原理,提出了单个功率单元的二重化控制技术与水平移相式PWM技...

发表于 2012-07-11 11:36 2100次阅读
一种多单元串联大功率逆变电源的控制方法

大功率逆变器电路设计过程详解

笔者曾用过300W逆变器,利用12V/60AH蓄电池向上述家用电器供电,一次充满电后,可使用近5小时...

发表于 2012-07-11 10:27 45276次阅读
大功率逆变器电路设计过程详解

工程师必知逆变电源开关电源关键设计

  开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源;逆变...

发表于 2012-06-20 17:18 1025次阅读
工程师必知逆变电源开关电源关键设计

纳米晶材料应用于逆变电源的优点与问题

高频逆变电源的工作频率在20kHz~50 kHz,作为电源心脏的主变压器,传统的铁芯材料铁氧体虽高频...

发表于 2012-06-18 14:19 759次阅读
纳米晶材料应用于逆变电源的优点与问题

300W轻型高效逆变电源工作原理

300W轻型高效逆变电源工作原理,这里介绍的轻型高效率、高频300瓦逆变板,体积只有16x9x7厘米...

发表于 2012-04-11 16:34 6085次阅读
300W轻型高效逆变电源工作原理

高频链逆变电源的拓扑和原理图

全桥双向电流源高频链逆变器的主电路拓扑结构如图1所示,它由高频逆变器、高频变压器和周波变换器3部分组...

发表于 2012-03-28 15:15 2670次阅读
高频链逆变电源的拓扑和原理图

机车空调逆变电源控制系统及其实现

本文设计了一种机车空调机组用多逆变器控制系统,与原有空调电源逆变器控制系统相比,有体积小、重量轻、数...

发表于 2012-03-15 11:52 960次阅读
机车空调逆变电源控制系统及其实现

车载逆变电源设计实例

本文阐述了要求非常高的车载逆变电源的设计及实验过程中的一些特殊问题的解决措施,对逆变电源提出了一些新...

发表于 2011-12-15 11:10 3286次阅读
车载逆变电源设计实例

基于DSP的风力发电逆变电源的研究

风电是一种清洁、经济、充足、安全的能源,它的提出不仅解决了我国能源和环境的问题,同时也符合我国可持续...

发表于 2011-11-17 14:38 1297次阅读
基于DSP的风力发电逆变电源的研究

电力逆变电源的应用实例

电力逆变电源是一种能够将DC12V直流电转换为和市电相同的AC220V交流电,供一般电器使用,是一种...

发表于 2011-11-17 14:22 1501次阅读
电力逆变电源的应用实例

电子辐照对功率双极晶体管损耗分析

本文实验中采用的开关电源为BCD 半导体公司研发的3765序列充电器, 采用的功率双极晶体管是BCD...

发表于 2011-11-17 13:59 586次阅读
电子辐照对功率双极晶体管损耗分析

RFMD推出氮化镓功率倍增模块RFCM2680

RFMD公司推出氮化镓有线电视表面贴装功率倍增模块。RFCM2680 是业界首款专门针对有线电视网络...

发表于 2011-11-16 10:06 565次阅读
RFMD推出氮化镓功率倍增模块RFCM2680

功率因素对LED灯具的重要性

何为LED灯具的功率因素?功率因素是LED灯具的一个重要参数,了解什么是功率因素有利于我们进一步了解...

发表于 2011-11-07 17:56 764次阅读
功率因素对LED灯具的重要性

可变阻值的功率电阻设计

当测试电源或为电池放电时,通常需要一种恒流负载。不过有些情况下,当负载是一只电阻时,必须研究其特性。...

发表于 2011-10-31 16:31 518次阅读
可变阻值的功率电阻设计