单端反激电路在逆变电源中的应用

中心议题：

• 常规单端反激电路结构
• 多管并联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
• 主要器件电压电流应力计算

解决方案：

• 两路单端反激并联电路结构

本文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）；U₀为输出电压（取350V）；N₁、N₂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）；C₂为外接电容（取30000pF）；C₀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L₁（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L1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C2值（C 0的值由功率管参数决定）；
（3）若要减小电感L1中最大电流I_L1MAX，则应增大电感L1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_DO、电流应力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。