高電壓寬范圍輸入輔助電源自激啟動(dòng)研究

胡亮燈，趙治華，孫 馳，陳玉林

（海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033）

0 引言

輔助電源是任何能量變換裝置的心臟，包括變頻器、斬波器、不間斷電源、有源濾波器件等電力電子變流系統(tǒng)，它為所有模數(shù)控制及其驅(qū)動(dòng)電路提供電源，一般其輸入電壓在200～1200 V之間，輸出電壓范圍為 3.3～48 V，額定功率通常小于 100 W[1]。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，對輔助電源的要求也越來越高，包括高效率、高功率密度和小尺寸及應(yīng)用于高輸入電壓場合。中高壓、大容量電力電子變流系統(tǒng)的輔助電源就近功率單元布置并采用柜體內(nèi)直流母線作為其輸入，在很大程度上簡化了變流系統(tǒng)二次線路連接，降低了對二次線路的絕緣要求，減小了二次線路受其他功率單元電磁干擾的影響，有利于整個(gè)變流器系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，能提高系統(tǒng)可維護(hù)性，但上述方案的實(shí)現(xiàn)需要高電壓寬范圍輸入的輔助電源[2]。

相比其他拓?fù)?，反激和正激DC/DC變換器具有輸入/輸出電氣隔離、安全可靠性等優(yōu)勢，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各種輔助電源中[3-5]。相比正激變換器，反激型DC/DC變換器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉[6]。單管反激電路主開關(guān)的電壓應(yīng)力大[7]，若增加RCD吸收電路，則效率不高[8-10]。雙管反激變換器的主開關(guān)電壓應(yīng)力僅為輸入電壓，并且漏感能量回饋到輸入側(cè)，無需增加任何吸收，非常適合高輸入電壓、較高性能要求的場合[11-13]。單管或雙管反激輔助電源，其啟動(dòng)方式一般是輸入電壓通過啟動(dòng)電阻給PWM芯片相應(yīng)電容預(yù)充電，來實(shí)現(xiàn)PWM芯片自啟動(dòng)，此后由輔助繞組為其提供工作電源。對于高電壓輸入的輔助電源，電源正常工作后應(yīng)能自動(dòng)切除啟動(dòng)支路，以降低啟動(dòng)損耗。PWM芯片自啟動(dòng)后，輔助繞組若能及時(shí)建立電壓為PWM芯片供電，則輔助電源啟動(dòng)成功。

高電壓寬范圍輸入的雙管反激式輔助電源自激啟動(dòng)是否成功，決定了依其提供控制電壓的變流系統(tǒng)能否運(yùn)行，但現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有研究?；诖?，本文對此類輔助電源自激啟動(dòng)過程展開研究。

本文分析了輔助電源啟動(dòng)原理；推導(dǎo)了輔助電源啟動(dòng)相關(guān)公式，包括啟動(dòng)過程中輸出繞組電壓及輔助繞組電壓；提出了輔助電源自激啟動(dòng)條件；確定了影響輔助電源自激啟動(dòng)的主要因素。最后，基于PSPICE對建立的雙管反激電路進(jìn)行了仿真分析，并在設(shè)計(jì)的300～2500 V輸入、24 V輸出的雙管反激輔助電源樣機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 輔助電源自激啟動(dòng)原理

輔助電源一般采用PWM芯片來控制開關(guān)管通斷，通過電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)占空比的大小，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定目的?；趫D1所示電路，對于高電壓寬范圍輸入雙管反激式輔助電源啟動(dòng)過程進(jìn)行分析。

圖1 雙管反激電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-tube flyback circuit

圖1所示電路主要由高頻變壓器T1、驅(qū)動(dòng)變壓器T2、PWM 控制芯片 UC3844、儲能電容 C1、輸出濾波電容 C2、啟動(dòng)電阻 RST、RT、檢測電阻 RSENSE、負(fù)載電阻RL、二極管 VD1—VD5和開關(guān)管 VT1、VT2、VT3組成。 變壓器T1原邊輸入繞組為NP，繞組電感為LP，T1副邊輸出分別為輸出繞組NS和輔助繞組NF，繞組電感分別為LS和LF；變壓器T2輸入為PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，而輸出分別為 PWM1 和 PWM2 驅(qū)動(dòng)脈沖。 圖中，Udc（in）為輔助電源輸入電壓，Uout為輸出電壓，βUout（0＜β＜1）為輸出反饋電壓，UAUX為輔助繞組電壓，UCC為芯片UC3844電源電壓。

輔助電源啟動(dòng)原理如下：直流輸入電壓Udc（in）通過電阻RT為MOS管VT1柵極供電，當(dāng)VT1柵－源極電壓大于其開通閾值電壓時(shí)，開關(guān)管VT1開通；當(dāng)VT1開通后，Udc（in）通過電阻 RST（RST?RT）、開關(guān)管 VT1給電容C1充電。UCC為電容C1電壓，也作為芯片UC3844電源電壓，當(dāng)UCC電壓大于芯片啟動(dòng)電壓時(shí)，芯片開始輸出PWM脈沖來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管VT2、VT3，與此同時(shí)，輔助繞組開始建立電壓UAUX，當(dāng)電壓UAUX大于電壓UCC與二極管VD3導(dǎo)通壓降之和時(shí)，電壓UAUX就能為電容C1充電；當(dāng)VT1柵－源電壓小于其開通閾值電壓時(shí)，開關(guān)管VT1關(guān)閉。由于圖1中兩穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值相同，則電源正常工作時(shí)，開關(guān)管VT1柵－源電壓為零，即電源正常工作后RST支路將自動(dòng)斷開。對于低電壓小范圍輸入輔助電源，一般不設(shè)置電阻RT啟動(dòng)支路，以降低成本，但對于高電壓寬范圍輸入自激輔助電源，由于輸入電壓較低時(shí)需保證電源正常啟動(dòng)工作，電阻RST不能設(shè)置太大，但當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，小阻值的RST損耗將很大，因此電源工作時(shí)需將啟動(dòng)支路RST自動(dòng)切除，以降低電源啟動(dòng)損耗。此外，輔助電源為降低損耗，一般僅通過RST支路無法為芯片UC3844提供正常工作所需電流，故設(shè)置了電源自激啟動(dòng)后由輔助繞組為芯片供電電路，輔助繞組能否及時(shí)提供PWM芯片工作所需電流和電壓決定了輔助電源能否自激啟動(dòng)成功。

2 輔助電源啟動(dòng)相關(guān)公式

為進(jìn)一步分析輔助電源啟動(dòng)過程，對輔助電源啟動(dòng)相關(guān)公式進(jìn)行了推導(dǎo)。

輔助電源在輸入電壓范圍內(nèi)能否正常啟動(dòng)，一般考核最小輸入電壓時(shí)電源能否啟動(dòng)成功。本文設(shè)計(jì)的高電壓寬范圍輸入輔助電源最小輸入電壓Udc（in）為300 V，PWM芯片選用ON半導(dǎo)體公司的UC3844芯片，芯片內(nèi)阻RUC3844約為30 kΩ，芯片啟動(dòng)電壓、最小工作電壓分別為Uhigh和Ulow。

a.芯片UC3844電源電壓UCC的計(jì)算。

其中，UCC≥Uhigh是輔助電源能啟動(dòng)的前提。

b.最大啟動(dòng)電阻RST的計(jì)算。

c.啟動(dòng)電流IST的計(jì)算。

由于設(shè)計(jì)的電源 Udc（in）?UCC，故 IST可由式（3）近似計(jì)算。一般要求IST大于芯片最小啟動(dòng)電流ISTmin，易知電阻RST越小，電流IST越大。

d.啟動(dòng)時(shí)間Δt1的計(jì)算。

由式（4）知，Δt1與電容 C1、電壓 Uhigh成正比，與電流IST成反比，式（4）沒有考慮電容C1漏電流及芯片自身功耗。

e.啟動(dòng)后，芯片工作時(shí)間Δt2的計(jì)算。

芯片在電源電壓UCC≥Uhigh時(shí)，開始工作；當(dāng)UCC＜Ulow時(shí)，芯片停止工作。芯片啟動(dòng)后，僅電容C1供能下芯片工作時(shí)間Δt2計(jì)算公式如下：

由于 Δt2非常小，電壓 Udc（in）給電容 C1充電電流IST也很小，故式（5）沒考慮 Δt2時(shí)間內(nèi) Udc（in）給電容C1充電增加的電量。

f.Δt2時(shí)間內(nèi)芯片啟動(dòng)次數(shù)n的計(jì)算。

由式（5）、（6）知，啟動(dòng)次數(shù) n 與電容 C1成正比。

g.芯片啟動(dòng)占空比d的計(jì)算。

當(dāng)芯片工作時(shí)，誤差放大器輸出電壓為α（2.5－βUout），其中 α 為誤差放大倍數(shù)，β（0＜β＜1）為輸出電壓反饋系數(shù)，Uout為輸出電壓。芯片正常工作時(shí)，電源原邊電流峰值可表示為：

此外，IP還可用式（8）進(jìn)行計(jì)算：

由式（7）、（8）可得芯片輸出占空比 d 見式（9）：

由式（9）知，占空比d與原邊電感LP、開關(guān)頻率fSW成正比，與電阻 RSENSE及輸入電壓 Udc（in）成反比。輸出電壓Uout增加時(shí)，占空比d減小。

h.啟動(dòng)相關(guān)電流的計(jì)算。

電源啟動(dòng)相關(guān)電流主要是變壓器T1副邊輔助繞組電流。變壓器T1原邊電流IP和副邊輸出繞組電流IS、輔助繞組電流IF滿足式（10）的關(guān)系。

為進(jìn)一步分析變壓器電流關(guān)系，基于CoPEC開發(fā)的懸臂模型可將圖1所示變壓器T1簡化為圖2所示電路。

圖2 變壓器懸臂模型Fig.2 Transformer cantilever model

圖中，LPS、LPF分別為變壓器輸入繞組與輸出繞組、輔助繞組之間的漏感；LFS為變壓器輸出繞組與輔助繞組之間的漏感。對于懸臂模型結(jié)構(gòu)變壓器，電流 IP、IS、IF三者關(guān)系滿足式（11）、（12）。

其中，δ=LPF/LPS。

由式（11）、（12）知，輸出繞組及輔助繞組電流與變壓器原邊電流成正比。

i.啟動(dòng)相關(guān)電壓的計(jì)算。

電源啟動(dòng)相關(guān)電壓主要為變壓器T1副邊輸出繞組電壓Uout和輔助繞組電壓UAUX。輔助電源為盡快啟動(dòng)，在啟動(dòng)過程中，可認(rèn)為其工作于連續(xù)模式，以下的分析推導(dǎo)也是基于電源工作于連續(xù)模式下進(jìn)行。

輔助繞組在開關(guān)管導(dǎo)通n次后建立的電壓UC3（n）計(jì)算公式如下：

由式（12）、（13）知，電壓 UC3（n）與峰值電流 IP、電容C1成正比，與電容C3成反比，隨著占空比d的增加而增加。

輸出繞組在開關(guān)管導(dǎo)通n次后建立的電壓UC2（n）計(jì)算公式如下：

由式（11）、（14）可知，開關(guān)管導(dǎo)通 n 次后，當(dāng)電阻 RL、電容 C1、電流 IP或占空比 d 增加時(shí)，電壓 UC2（n）增加；當(dāng)電容 C2增加時(shí)，電壓 UC2（n）減小。

3 輔助電源啟動(dòng)條件

輔助電源啟動(dòng)過程示意圖如圖3所示，圖中UCC為UC3844芯片電源電壓，而UAUX、Uout分別為輔助繞組電壓、輸出繞組電壓。

圖3中，Uhigh為芯片啟動(dòng)電壓；Ulow為芯片工作最小電壓；Δt1=t1－t0為輔助電源第一次啟動(dòng)時(shí)間；Δt2=t2－t1為電容C1供能下芯片工作時(shí)間，t2為輔助繞組開始為芯片供能時(shí)刻，Δt2也即輔助繞組建壓時(shí)間；Δt3=t3－t1為輸出繞組建壓時(shí)間。為確保輔助電源啟動(dòng)成功，要求 Δt2=t2－t1盡量小，裕度 γ 盡量大[2]。

圖3 輔助電源啟動(dòng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of APS startup

輔助電源要成功建壓，需滿足以下3個(gè)條件。

a.輔助繞組為PWM芯片所提供的電流不小于芯片工作電源和齊納電流ICC+IZ，即需滿足式（15）。

b.開關(guān)管開通n次后輔助繞組電壓建立的電壓UC3（n）不小于PWM芯片最小工作電壓Ulow與二極管VD3正向壓降UD3之和，為確保啟動(dòng)成功，一般留一定裕度 γ，如式（16）所示。

c.PWM芯片電源電壓UCC≥Uhigh是輔助電源能啟動(dòng)的前提。

4 輔助電源啟動(dòng)仿真及分析

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，基于PSPICE仿真軟件，搭建圖1所示雙管反激電路仿真模型，在有輔助繞組、無輔助繞組、啟動(dòng)電阻RST增加及電容C1增加4種情況下進(jìn)行仿真分析，圖4（a）—（d）分別為其相應(yīng)的仿真波形，其他仿真情況見表1。

圖4中，UPWM_IC、UCC波形分別為芯片UC3844輸出驅(qū)動(dòng)電壓、電源電壓，Uout波形為輸出繞組在電源啟動(dòng)過程中建立的電壓，UAUX波形為輔助繞組在電源啟動(dòng)過程中建立的電壓。從圖4（a）中可看出，84 ms后輸出繞組電壓Uout波形平穩(wěn)，輔助電源啟動(dòng)成功，啟動(dòng)時(shí)間為83.15 ms，輸出繞組建壓時(shí)間為0.85 ms，輔助繞組為芯片供電時(shí)間為2.7 ms，相關(guān)參數(shù)見表1序號1所示。從圖4（b）中UPWM_IC波形知，其開通一段時(shí)間后關(guān)閉，輔助電源啟動(dòng)失敗。因?yàn)閮H通過啟動(dòng)電阻所能提供的電流約為2 mA，不夠UC3844芯片工作所需電流（最大17 mA），當(dāng)芯片電源電壓UCC低于工作最小電壓Ulow時(shí)，芯片關(guān)閉輸出，啟動(dòng)失敗。相比圖 4（a）參數(shù)，圖 4（c）為啟動(dòng)電阻 RST由 100 kΩ 增加到120 kΩ時(shí)，輔助電源啟動(dòng)過程。從圖4（c）所示波形可知，芯片啟動(dòng)時(shí)間為100 ms，Uhigh=16.6 V，相比圖4（a）所示波形，其啟動(dòng)時(shí)間增加近17 ms。原因分析：由于啟動(dòng)電阻增加，則通過啟動(dòng)電阻到電容C1充電電流減少，由式（4）知，要充電到同樣的電壓，所需充電時(shí)間將增加，從而增加了電源啟動(dòng)時(shí)間。根據(jù)表1序號7參數(shù)，由式（3）知，啟動(dòng)電流由約2 mA減少到約1.67 mA（注意PSPICE模型沒考慮UC3844內(nèi)阻），進(jìn)而由式（4）知啟動(dòng)時(shí)間由約83 ms增加到約100 ms，但沒考慮UC3844芯片UCC引腳電壓從0上升到Uhigh過程中芯片本身及電容C1消耗。相比圖4（a）參數(shù)，圖 4（d）為電容 C1由 10 μF 增加至 15 μF時(shí)，輔助電源啟動(dòng)過程。從圖4（d）中可以看出芯片啟動(dòng)時(shí)間為124.5 ms，見表1序號8參數(shù)。由式（4）知，芯片啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算值約為124.5 ms，仿真值與計(jì)算值一致。

圖4 輔助電源啟動(dòng)過程Fig.4 APS startup processes

此外，對影響輔助電源啟動(dòng)的其他主要因素也進(jìn)行了仿真，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1對輔助電源啟動(dòng)影響因素進(jìn)一步分析如下：對比序號1與序號2（輔助繞組斷開）知，序號2方案啟動(dòng)失敗，原因?yàn)閮H依靠啟動(dòng)電阻供電無法滿足PWM芯片正常工作；對比序號1與序號3、序號9知，變壓器原邊電感LP或檢測電阻RSENSE增加，輸出繞組建壓時(shí)間增加而輔助繞組供電時(shí)間縮短，原因?yàn)樵呺姼蠰P增加或電阻RSENSE增加時(shí)，由式（7）、（8）知電流IP減小，則由式（14）知輸出繞組建立電壓UC2（n）將變小，由式（9）知若 UC2（n）降低則占空比 d增加，進(jìn)而由式（13）知輔助繞組電壓將升高，從而建壓時(shí)間縮短；對比序號1與序號4知，輔助電容C3減小可以減少輔助繞組建壓時(shí)間，原因見式（13）；對比序號1與序號5知，電容C2減小，輸出繞組建壓時(shí)間縮短，原因見式（14），但輔助繞組建壓時(shí)間稍有所增加，進(jìn)而由式（9）知占空比d減少，則輔助繞組建壓時(shí)間增加，見式（13）；對比序號1與序號6知，電阻RL減小，輔助繞組供電時(shí)間縮短，因?yàn)橛墒剑?4）知，電阻RL減小，則輸出電壓減小，進(jìn)而由式（9）知占空比d增加，則輔助繞組建壓變快，建壓時(shí)間減少，見式（13）；對比序號1與序號7知，啟動(dòng)電阻增加，芯片啟動(dòng)時(shí)間大幅增加，見式（3）、（4）；對比序號1與序號8知，電容C1增加，啟動(dòng)及輔助繞組建壓時(shí)間增加，輸出繞組建壓時(shí)間減少，芯片啟動(dòng)時(shí)間增加原因見式（4），電容C1增加，則僅靠該電容給芯片供電時(shí)間增加，導(dǎo)致輔助繞組建壓后給電容C1供電時(shí)間增加，電容C1增加，由式（14）知輸出繞組電壓增加，即建壓時(shí)間減少；對比序號1與序號10知，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間快速增加，原因見式（3）、（4），序號 10 啟動(dòng)失敗。

2.2.1 對玉米根際土壤細(xì)菌的影響 減量化肥處理B，C對玉米根際土壤細(xì)菌的影響顯著大于其他處理(表2)。對于先玉335處理，除全量化肥與復(fù)合微生物菌劑(D)無顯著差異，其他處理間細(xì)菌數(shù)量均差異顯著(P<0.05)，處理效果最佳的是B，較A、E處理分別增加1.310和3.705倍。對于金穗4號，各處理間均差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)出處理B>C>A>D>E的趨勢，且處理B分別較處理A和E提高1.94和4.8倍。且先玉335的根際細(xì)菌數(shù)量高于金穗4號。

表1 輔助電源仿真參數(shù)及啟動(dòng)時(shí)間Tab.1 Simulation parameters and startup time of APS

5 輔助電源啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，在設(shè)計(jì)的300～2500 V輸入、24 V輸出、額定功率為50 W的雙管反激原理樣機(jī)裝置中對影響輔助電源啟動(dòng)的主要因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，原理樣機(jī)電路圖如圖1所示，開關(guān)管VT2、VT3驅(qū)動(dòng)方式采用帶耦合電感的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。圖5給出了輸入電壓為2.60kV（留出安全裕度）、負(fù)載為50W時(shí)，輔助電源實(shí)驗(yàn)波形。

圖5 輔助電源實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms of APS

圖5 中，Udc（in）為輔助電源輸入電壓；UVT2、UVT3分別為開關(guān)管VT2、VT3漏－源極電壓；Ugs2為開關(guān)管VT3柵－源極電壓。從圖中可以看出雙管反激輔助電源在滿載情況下能正常啟動(dòng)工作。

下面進(jìn)一步對影響輔助電源啟動(dòng)的主要因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。文中主要給出了有輔助繞組、無輔助繞組、電容C1減少、原邊電感LP增加4種情況下的輔助電源啟動(dòng)過程波形，分別如圖6—9所示，其中（b）圖為（a）圖中橢圓形區(qū)域放大圖。

a.有輔助繞組情況下，輔助電源啟動(dòng)過程。

圖6 有輔助繞組情況下輔助電源啟動(dòng)波形Fig.6 Startup waveforms of APS with auxiliary winding

從圖6（a）中可以看出，輔助電源成功啟動(dòng)，電壓Uout、UCC在時(shí)刻t3后平穩(wěn)，具體參數(shù)見表2中序號1。為了確?？煽繂?dòng)，輔助繞組起作用點(diǎn)（時(shí)刻t2）和芯片最小工作電壓Ulow之間必須有足夠的裕度γ，如圖 6（b）所示。輸入電壓 Udc（in）通過啟動(dòng)電阻 RST給電容C1充電，使芯片電源電壓UCC（即輔助繞組電壓）從零近似直線上升到啟動(dòng)電壓 Uhigh，由圖 6（a）知Uhigh為15.4 V。當(dāng)電壓UCC達(dá)到Uhigh時(shí)，芯片開始輸出UPWM_IC驅(qū)動(dòng)波形，UPWM_IC驅(qū)動(dòng)脈沖通過變壓器T2驅(qū)動(dòng)輔助電源開關(guān)管VT2、VT3，此后輸出繞組開始建立電壓，見圖6中Uout波形。由圖6（a）知芯片電源電壓UCC從0 V充電到Uhigh需1.64 s，此后芯片啟動(dòng)工作，輔助繞組開始為芯片供電的時(shí)間為芯片啟動(dòng)后約24ms，輸出繞組建壓時(shí)間為芯片啟動(dòng)后約43.6ms。芯片UC3844內(nèi)阻約為30 kΩ，考慮到反饋、穩(wěn)壓管等并聯(lián)電路，估算UC3844等效電阻約為15 kΩ。由表2中序號1參數(shù)及式（3）可以計(jì)算芯片啟動(dòng)電流IST約為2 mA，進(jìn)而根據(jù)式（4）可得芯片第一次啟動(dòng)時(shí)間約為1.53 s。啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算值與實(shí)測值1.64 s基本相符，說明了輔助電源啟動(dòng)時(shí)間近似計(jì)算方法正確。計(jì)算值與實(shí)測值有誤差原因在于計(jì)算值沒有考慮芯片啟動(dòng)前自身消耗及電容C1漏電流。

b.無輔助繞組情況下，輔助電源啟動(dòng)過程。

從圖7（a）中可以看出，輸出繞組沒有建立穩(wěn)定的電壓，啟動(dòng)失敗。由圖7（b）可知，當(dāng)電壓UCC＞Uhigh時(shí)，芯片開始啟動(dòng)輸出UPWM_IC驅(qū)動(dòng)脈沖；當(dāng)UCC＜Ulow時(shí)，芯片關(guān)閉輸出。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，僅通過啟動(dòng)電阻無法為芯片提供工作所需電流。芯片UC3844電源電流和齊納電流最大值（ICC+IZ）為30 mA，由式（3）、（4）及序號 3參數(shù)知，芯片啟動(dòng)后僅靠電容 C1供能下芯片工作時(shí)間Δt1為37.3 ms，與實(shí)測值37.2 ms（即圖中t2－t1）一致，同理可計(jì)算芯片第二次啟動(dòng)時(shí)間約為454 ms，與第二次啟動(dòng)時(shí)間實(shí)測值460 ms（即圖中 t4－t2）相近。

c.電容C1減少時(shí)，輔助電源啟動(dòng)過程。

圖7 無輔助繞組情況下輔助電源啟動(dòng)過程波形Fig.7 Startup waveforms of APS without auxiliary winding

從圖8（a）中可以看出，輸出繞組沒有建立穩(wěn)定電壓，啟動(dòng)失敗，原因在于電容C1過小，儲存的能量不足以確保電源啟動(dòng)工作。電容C1儲能小，則開關(guān)管導(dǎo)通次數(shù)n減少，見式（6），輔助繞組在有限的開關(guān)管導(dǎo)通次數(shù)中無法建立起足夠高的電壓及時(shí)為芯片供電。從圖8（b）中可以看出，輔助繞組工作點(diǎn)與芯片最小工作電壓Ulow的裕度γ幾乎為0，一旦UCC＜Ulow，芯片將關(guān)閉輸出，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。因此，輔助電源要啟動(dòng)成功，電容C1必須能為芯片提供足夠長時(shí)間工作所需能量以確保輔助繞組建壓并及時(shí)給電容C1供電。

圖8 C1減少時(shí)輔助電源啟動(dòng)過程波形Fig.8 Startup waveforms of APS with decreased C1

d.電感LP增加時(shí)，輔助電源啟動(dòng)過程。

圖9 LP增加時(shí)輔助電源啟動(dòng)過程波形Fig.9 Startup waveforms of APS with increased LP

從圖9（a）中可以看出，輔助電源快速啟動(dòng)成功，電壓Uout在時(shí)刻t3后平穩(wěn)，輔助繞組建壓時(shí)間約為0.5 s，輔助繞組工作點(diǎn)與芯片最小工作電壓Ulow之間的裕度 γ也很大，如圖9（b）所示。相比序號8，電感LP增加后輔助繞組建壓如此迅速是因?yàn)樽儔浩骼@組之間的漏感LPS、LPF改變所引起的，見式（11）、（12），即輸出繞組及輔助繞組電流分配權(quán)重改變，使得輔助繞組電流增加明顯，從而輔助繞組建壓時(shí)間大幅減少。

此外，對影響輔助電源啟動(dòng)的其他主要因素也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2中，對比序號1與序號2知，啟動(dòng)電阻RST減小，UC3844芯片建壓時(shí)間縮短，原因見式（3）；對比序號1與序號4知，電容C1減少，電源啟動(dòng)時(shí)間減少，從而輔助繞組建壓時(shí)間減少；對比序號2與序號3知，序號3輔助繞組斷開，啟動(dòng)失??；對比序號4與序號5可知，檢測電阻RSENSE減小，輔助繞組建壓時(shí)間增加，輸出繞組建壓時(shí)間減少；對比序號5、6、7可知，隨著電阻RL的增加，輸出繞組建壓時(shí)間稍微縮短，原因見式（14）；對比序號6與序號8可知，輸入電壓升高，啟動(dòng)時(shí)間Δt1快速減少，輸出繞組建壓時(shí)間減少而輔助繞組建壓時(shí)間有些許增加，是因?yàn)檩斎腚妷涸黾?，啟?dòng)前電容C1充電電流增加，由式（4）知啟動(dòng)時(shí)間減少，輸入電壓增加，由式（8）、（14）知輸出繞組建壓快速增加，若輸出繞組電壓增加，由式（9）知占空比d將減少，可由式（13）知輔助繞組建壓時(shí)間增加；對比序號8與序號9知，輸出繞組濾波電容C2增加，輸出繞組建壓時(shí)間增加，而輔助繞組建壓時(shí)間減少，電容C2增加，輸出繞組建壓時(shí)間增加，原因見式（14），則由式（9）知占空比 d 增加，進(jìn)而由式（13）知輔助繞組電壓增加，從而輔助繞組建壓時(shí)間減少；對比序號8與序號10可知，原邊電感LP增加，輸出繞組建壓時(shí)間有所增加，但輔助繞組建壓時(shí)間卻大幅減少。

表2 輔助電源實(shí)驗(yàn)參數(shù)及啟動(dòng)時(shí)間Tab.2 Experimental parameters and startup time

6 結(jié)論

a.分析了高電壓寬范圍輸入輔助電源自激啟動(dòng)原理，推導(dǎo)了輔助電源啟動(dòng)相關(guān)公式，在此基礎(chǔ)上，給出了輔助電源自激啟動(dòng)條件；

b.確定了影響輔助電源啟動(dòng)的因素主要為啟動(dòng)電阻、原邊電感、原邊檢測電阻、輸出繞組電容、輔助繞組電容、芯片啟動(dòng)儲能電容和負(fù)載，在此基礎(chǔ)上給出了影響輔助電源啟動(dòng)的相關(guān)結(jié)論；

c.分別基于PSPICE仿真軟件和設(shè)計(jì)的300～2500 V直流輸入、24 V輸出雙管反激輔助電源樣機(jī)，對影響輔助電源啟動(dòng)的各種因素進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果均證明了理論分析的正確性。