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？

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：

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：

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。

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。