基于反激變換器的漏感能量回收方法

蘇 通, 張方華, 馬 超, 任永宏

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京航空航天大學(xué), 江蘇 南京 210016)

基于反激變換器的漏感能量回收方法

蘇 通, 張方華, 馬 超, 任永宏

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京航空航天大學(xué), 江蘇 南京 210016)

反激變壓器原邊漏感的存在增加了功率器件的電壓應(yīng)力，并降低了變換器的變換效率。本文研究了一種新穎的變壓器漏感能量吸收電路，實(shí)現(xiàn)了漏感能量的回收和利用。論文采用的吸收電路為反激電路，它能將主電路變壓器漏感能量直接釋放到輸出側(cè)供給負(fù)載。同時(shí)吸收電路采用電壓滯環(huán)控制，工作頻率由漏感能量決定，當(dāng)主電路的功率降低時(shí)吸收電路的工作頻率也會(huì)隨之降低，變換器輕載效率高。詳細(xì)分析了吸收電路的工作原理，給出了參數(shù)設(shè)計(jì)方法，研制了兩路交錯(cuò)并聯(lián)反激變換器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提出方法的有效性。

反激變換器； 漏感能量回收； 滯環(huán)控制; 吸收電路設(shè)計(jì)

1 引言

反激變換器由于其電路拓?fù)浜?jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用在中小功率場(chǎng)合[1]，在電路中反激變壓器起到電氣隔離和儲(chǔ)存能量的作用。由于反激變壓器存在較大的漏感，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻，漏感能量會(huì)造成開(kāi)關(guān)管上很高的電壓尖峰；同時(shí)，漏感的存在使得工作在CCM模式下的變換器很難取得較高的變換效率。

為了減小反激變壓器漏感對(duì)主電路的影響，通常采用鉗位電路對(duì)漏感能量進(jìn)行回收和利用。常用的鉗位電路可分為無(wú)源鉗位[2]和有源鉗位[3]兩類。無(wú)源鉗位包括RCD鉗位等，其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，缺點(diǎn)是電壓尖峰的抑制效果差、電路損耗大。有源鉗位抑制效果好，但是有源鉗位存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題：①吸收電路和主電路具有相同的工作頻率，因此在輕載時(shí)吸收電路自身的損耗在電路總損耗中占了很大一部分；②在重載時(shí)以諧振方式工作的吸收電路將流過(guò)很大的諧振電流，造成較大的損耗；③每一主電路都需要一套獨(dú)立的有源鉗位電路，當(dāng)主電路采用多路交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)時(shí)會(huì)提高電路的成本。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種新穎有源吸收方式，吸收電路斬波工作，工作頻率由主電路的功率決定，當(dāng)主電路的功率降低時(shí)吸收電路的工作頻率也會(huì)隨之降低，這樣可實(shí)現(xiàn)變換器較高的效率。

2 吸收電路的拓?fù)浜涂刂品绞?/h2>

2.1 吸收電路的拓?fù)?/p>

圖1為本文所提的反激變換器漏感能量有源吸收的原理圖。其中吸收電路是由變壓器Ta、開(kāi)關(guān)管Sa和二極管Da構(gòu)成的反激電路，主電路則是兩路交錯(cuò)并聯(lián)的高升壓比反激變換器[4,5]。

圖1 漏感能量有源吸收電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of leakage inductance energy active absorption circuit

2.2 控制方式

吸收電路采用電壓滯環(huán)控制，設(shè)鉗位電容電壓的滯環(huán)上下限分別為UTH和UTL。圖2為吸收電路的控制流程圖。在主電路開(kāi)關(guān)管S1(S2)關(guān)斷時(shí)刻，主電路變壓器漏感和開(kāi)關(guān)管漏源極結(jié)電容發(fā)生諧振，漏源極結(jié)電容電壓不斷升高，當(dāng)上升到鉗位電容電壓滯環(huán)下限UTL時(shí)，二極管Da1(Da2)導(dǎo)通，漏感能量傳遞到鉗位電容C上，鉗位電容電壓不斷上升，當(dāng)鉗位電容電壓達(dá)到UTH，開(kāi)通吸收電路開(kāi)關(guān)管Sa，儲(chǔ)存在鉗位電容上的漏感能量通過(guò)吸收電路釋放到主電路的輸出側(cè)供給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了漏感能量的回收利用。當(dāng)鉗位電容電壓隨著放電過(guò)程降低到UTL時(shí)，關(guān)閉吸收電路開(kāi)關(guān)管。電壓滯環(huán)控制直接控制鉗位電容電壓，能夠維持鉗位電容電壓在一定的范圍內(nèi)基本恒定，對(duì)主電路開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰起到抑制作用。滯環(huán)電壓的下限應(yīng)該大于主電路輸入電壓和輸出反射電壓之和，否則主電感中的部分能量將傳遞到鉗位電容上。考慮到鉗位電容電壓對(duì)開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力的影響，滯環(huán)上下限和環(huán)寬也不宜取得過(guò)大。本文選取滯環(huán)上限為75V，下限為70V。

圖2 吸收電路電壓滯環(huán)控制框圖Fig.2 Voltage hysteresis loop control of absorption circuit

3 吸收電路設(shè)計(jì)

3.1 吸收電路的等效

吸收電路的等效電路如圖3所示。圖3(a)為開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的等效電路，它可以看成是一個(gè)由鉗位電容C和吸收電路勵(lì)磁電感La組成的串聯(lián)諧振電路，鉗位電容上的初始電壓是滯環(huán)上限UTH，勵(lì)磁電感上的初始電流為零。根據(jù)該串聯(lián)諧振回路可以計(jì)算鉗位電容電壓UC、勵(lì)磁電感電流iLa以及鉗位電容放電時(shí)間t2：

(1)

(2)

(3)

圖3 吸收電路工作等效電路Fig.3 Equivalent circuit of absorption circuit

圖4為主電路開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)的下降沿始終相差1/2個(gè)開(kāi)關(guān)周期，一次驅(qū)動(dòng)的下降沿意味著一次漏感能量的吸收。吸收電路驅(qū)動(dòng)的具體頻率與主電路功率和吸收電路參數(shù)設(shè)計(jì)有關(guān)。為了便于吸收電路變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，人為地將鉗位電容放電時(shí)間t2限制在兩次下降沿之間，即

(4)

式中，Ts為主電路的開(kāi)關(guān)周期。這樣在吸收電路工作時(shí)不會(huì)有新的漏感能量導(dǎo)入，變壓器每次處理的能量為定值，簡(jiǎn)化了吸收電路的工作過(guò)程和變壓器的設(shè)計(jì)。

圖4 兩路交錯(cuò)并聯(lián)反激變換器驅(qū)動(dòng)波形Fig.4 Driving waveforms of dual interleaved flyback converter

由于吸收電路導(dǎo)通時(shí)間t2(即鉗位電容放電時(shí)間)選為定值，因此吸收電路可以等效為輸入電壓在UTH～UTL范圍內(nèi)，輸出電壓為Uo(主電路的輸出電壓)的固定導(dǎo)通時(shí)間的反激變換器，其工作于DCM模式，功率隨主電路的功率減小而減小，其表達(dá)式為：

(5)

式中，Lk為主電路漏感；ipk為主電路單路漏感峰值電流；fs為主電路工作頻率。因此吸收電路的工作頻率隨著主電路功率的減小而降低。

3.2 吸收電路參數(shù)設(shè)計(jì)

增加吸收電路的目的是通過(guò)對(duì)主電路漏感能量進(jìn)行回收和利用來(lái)提高變換器的效率，因此吸收電路的參數(shù)將按照效率最優(yōu)的原則來(lái)設(shè)計(jì)。吸收電路的損耗主要包括：①原邊功率管的驅(qū)動(dòng)損耗、開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗；②副邊二極管的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗；③原副邊的繞組損耗和磁心損耗。從能量守恒的角度來(lái)看，有以下關(guān)系成立：

(6)

(7)

由此可以計(jì)算出吸收電路勵(lì)磁電流的峰值和有效值分別為：

副邊電流峰值為：

(10)

式中，NaP、NaS分別為吸收電路原副邊的匝數(shù)。副邊電流在輸出電壓的作用下線性下降，可以求出下降時(shí)間taoff為：

(11)

則副邊電流的有效值和平均值為：

(12)

以主電路1.5倍過(guò)載時(shí)吸收電路處理的功率為標(biāo)準(zhǔn)，參照同等功率等級(jí)的反激變換器估算其他相關(guān)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算得到以n為自變量的吸收電路損耗函數(shù)[6]。使用計(jì)算工具M(jìn)ATHCAD14.0畫出該函數(shù)的曲線圖，如圖5所示?？梢钥闯?，該函數(shù)并不是單調(diào)的，電路的損耗會(huì)隨著n的增加先減小后增大，所以存在一個(gè)n值能夠使得電路的損耗取到最小值。利用函數(shù)求最小值指令Minimize(P，n)可以求得n=2.117，對(duì)應(yīng)的電路最小損耗為4.808W，當(dāng)取n=2時(shí)勵(lì)磁電流峰值為8.84A。根據(jù)式(6)可以算出鉗位電容為1.2μF，吸收電路勵(lì)磁電感為15μH。

圖5 吸收電路總損耗隨n的變化曲線Fig.5 Curve of total loss of auxiliary circuit with n

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)兩路交錯(cuò)并聯(lián)倍壓輸出反激變換器進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，變換器額定輸出功率500W，輸入電壓28V，輸出電壓180V，開(kāi)關(guān)頻率120kHz。各電路具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：主電路變壓器采用PQ35/35的磁心繞制，原邊7匝，副邊21匝，實(shí)測(cè)勵(lì)磁電感14μH，原邊漏感280nH。原邊功率管采用英飛凌公司的IPP200N25N3G，兩個(gè)輸出二極管采用ST公司的STTH1003S-Y。副邊諧振電容為1μF，輸出電容為60μF，采用多個(gè)陶瓷電容并聯(lián)。用于吸收主電路漏感的鉗位電容為1.36μF，吸收電路的變壓器采用PQ20/16的磁心繞制，勵(lì)磁電感為15.17μH。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms

圖6(a)為單路2/3額定負(fù)載(160W)時(shí)鉗位電容電壓和驅(qū)動(dòng)波形，圖6(b)為單路滿載(250W)時(shí)鉗位電容電壓和驅(qū)動(dòng)波形。本文設(shè)計(jì)的吸收電路在主電路1.5倍過(guò)載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率為主電路的1/2(取n=2)，即60kHz。根據(jù)式(7)和式(8)可知，吸收電路的開(kāi)關(guān)頻率和主電路峰值電流的平方成正比，在輸入電壓不變的情況下，吸收電路開(kāi)關(guān)頻率和主電路功率的平方成正比。據(jù)此計(jì)算，在單路2/3額定負(fù)載(160W)和額定單路滿載(250W)情況下，吸收電路的開(kāi)關(guān)頻率分別為6.02kHz和13.3kHz。從實(shí)驗(yàn)波形可以得到吸收電路的實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率分別為6.025kHz和11.1kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析比較吻合。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出鉗位電容上的電壓最大值為78V，最小值為68V，與設(shè)計(jì)的電壓滯環(huán)上下限值相吻合。隨著主電路功率從250W減小到160W，吸收電路工作頻率從11.1kHz降低到6.025kHz，吸收電路的工作頻率隨主電路功率的降低自動(dòng)減小，這與理論分析一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

根據(jù)式(6)和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鉗位電容滯環(huán)上下限值，可以計(jì)算出吸收電路開(kāi)關(guān)管開(kāi)通一次處理的能量為8.7×10-4J，則2/3負(fù)載和滿載下吸收電路處理的功率為5.9W和11W，實(shí)現(xiàn)了對(duì)漏感能量的回收和利用。由于吸收電路采用滯環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單，控制和驅(qū)動(dòng)電路體積很小，因此吸收電路的體積主要由吸收電路的變壓器決定，本實(shí)驗(yàn)采用PQ20/16磁心，尺寸為20.5×14×16(單位：mm)。在整個(gè)變換器電路中所占比重很小。

增加了吸收電路后，主電路開(kāi)關(guān)管漏源極之間電壓被鉗位在150V以下，對(duì)電壓尖峰起到了較好的抑制作用。

圖7給出了不同負(fù)載下采用本文所提吸收電路的兩路交錯(cuò)并聯(lián)反激變換器的效率曲線，同時(shí)給出了相同負(fù)載下RCD鉗位電路的效率作為對(duì)比。

圖7 效率曲線Fig.7 Efficiency curves

5 結(jié)論

本文研究了一種基于反激變換器的漏感能量回收電路。該電路采用電壓滯環(huán)控制，控制方式簡(jiǎn)單，只需一個(gè)遲滯比較器，無(wú)需設(shè)計(jì)PI閉環(huán)參數(shù)。在該控制方式下，吸收電路每次傳輸?shù)哪芰肯嗤?，便于吸收電路變壓器的?yōu)化設(shè)計(jì)；吸收電路工作頻率隨著主電路功率的減小而自動(dòng)降低，在主電路輕載情況下能夠減小吸收電路的開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)主電路輕載下較高的變換效率。該漏感吸收電路同時(shí)對(duì)主電路開(kāi)關(guān)管電壓尖峰起到了較好的抑制作用。通過(guò)500W兩路交錯(cuò)并聯(lián)反激變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，帶有本文所提吸收電路的反激變換器取得了滿載94%的變換效率。

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Method of leakage inductance energy recovery based on flyback converter

SU Tong, ZHANG Fang-hua, MA Chao, REN Yong-hong

(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)

The existence of the leakage inductance of the flyback transformer primary side increases the voltage stress of power device and reduces the reliability of the circuit. Due to the leakage of energy cannot be delivered to the load, the efficiency of converter is reduced. This paper proposes a novel leakage-inductance energy recovery circuit by adding a flyback circuit as the auxiliary circuit which realizes the recycle and utilization of the leakage inductance energy. It can directly release the leakage inductance energy into the output. Auxiliary circuit uses the voltage hysteresis control, and the operating frequency is determined by the energy of the leakage inductance. When the main circuit power is reduced, the operating frequency of the auxiliary circuit will decrease accordingly.The working principle and parameter design of auxiliary circuits are analyzed in detail. Based on this, dual interleaved flyback converter was completed, and experimental results show that the proposed method is useful.

flyback converter; leakage-inductance energy recycle; hysteresis control; design of absorption circuit

2015-08-05

蘇 通(1991-)， 男， 江蘇籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)； 張方華(1976-)， 男， 山東籍， 教授， 博士生導(dǎo)師， 研究方向?yàn)楹娇针娫础?照明電源和新能源發(fā)電系統(tǒng)。

TM46

A

1003-3076(2016)06-0013-05