基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的寬輸入電壓范圍雙管反激電源設(shè)計

張志遠

（91404部隊，河北秦皇島，066000）

0 引言

雙管反激變換器因其拓撲結(jié)構(gòu)簡單、適用于輸入電壓范圍寬、可隔離輸出低電壓、常常作為較理想的光伏發(fā)電系統(tǒng)輔助電源。在光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，接入的太陽能電池板陣列的輸出電壓范圍是直流200-1000V，當(dāng)采用單端反激變換器拓撲時，單個開關(guān)管將承受很高的輸入電壓，因此開關(guān)管容易被擊穿損壞。采用的開關(guān)管的耐壓值越高，其效率和可靠性就越低，為增加可靠性會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，成本增高。本文采用了準(zhǔn)諧振技術(shù)，依靠雙管反激的設(shè)計思路，利用原邊勵磁電感和開關(guān)管內(nèi)部輸出電容及電路中的其它雜散電容產(chǎn)生諧振，通過L6565D芯片的控制實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和低電壓導(dǎo)通的軟開關(guān)技術(shù)。有效地減少了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，提高了變換器的效率，實現(xiàn)了后級穩(wěn)定的輸出。

1 電路拓撲結(jié)構(gòu)及其工作過程

圖1為雙管反激式變換器電路原理，開關(guān)管Q1和Q2同時導(dǎo)通和關(guān)斷，電路的工作模式為：導(dǎo)通狀態(tài)（Q1和Q2同時導(dǎo)通）原邊電流增加，變壓器儲能，由于輸出回路的高頻整流管D3和D4反向截止，能量無法傳遞到副邊；關(guān)斷狀態(tài)（Q1和Q2同時關(guān)斷）根據(jù)Lenz’s定律，變壓器原邊電感感生電勢反向，輸出回路的高頻整流管正向?qū)?。同時，初級側(cè)漏感中的能量通過兩個鉗位二極管D1和D2回饋至電容C1和C2。此時，兩個開關(guān)管承受的電壓就是輸入電壓Vdc和反射電壓之和。在理想的情況下，加載在Q1和Q2上的電壓相等且均小于輸入電壓，但實際上，由于開關(guān)管生產(chǎn)工藝差別以及電路其它寄生參數(shù)的影響，兩個開關(guān)管不可能同時導(dǎo)通和關(guān)斷，因此二者所承受的電壓也并不完全相等。在電路設(shè)計中通常通過以下幾種方法來解決實際電路中開關(guān)管分壓不均問題：1、兩開關(guān)管驅(qū)動線路的PCB走線長度和形狀盡量保持一致，同時柵源極的驅(qū)動引線盡可能并行走線；2、驅(qū)動電阻選擇±0.5%精度，以減少驅(qū)動信號誤差。3、采用三明治繞法使驅(qū)動變壓器的兩路輸出繞組盡可能與原邊繞組耦合一致；4、利用雙脈沖測試平臺測量實際的MOS管內(nèi)的柵源電容，篩選性能和參數(shù)盡量一致的MOS管。雙管反激變換器工作模式具體見圖2。

圖1 雙管反激電路

2 反激式準(zhǔn)諧振變換器原理

準(zhǔn)諧振反激變換器和傳統(tǒng)的反激變換器最大的不同之處就是開關(guān)管的導(dǎo)通時刻不同。反激變換器是一種硬開關(guān)型電路，無論其工作在斷續(xù)模式還是連續(xù)模式下，開關(guān)管在震蕩波形較高的一個電壓平臺處導(dǎo)通，因此開關(guān)管的開通損耗和關(guān)斷損耗較大，因此傳統(tǒng)反激變換器的效率較低。本文設(shè)計的準(zhǔn)諧振變換器可通過L6565D檢測變壓器磁復(fù)位狀態(tài)，控制開關(guān)管在震蕩電壓的谷底處導(dǎo)通，實現(xiàn)了準(zhǔn)軟開關(guān)功能。由于在低電壓處導(dǎo)通，使得開關(guān)損耗大大降低，工作效率提高，輻射噪聲改善。為了使雙管反激變換器工作在準(zhǔn)諧振模式，要求變換器工作在DCM模式。由于開關(guān)頻率是變化的，這要求我們在設(shè)計準(zhǔn)諧振變壓器的時候，要低壓滿載以fs-min固定頻率設(shè)計在DCM模式，這樣能保證電壓升高導(dǎo)致頻率發(fā)生變化時，變換器仍然可以工作在DCM模式。在設(shè)計反饋環(huán)路中，由于DCM模式下不存在右半平面零點問題，因此調(diào)節(jié)環(huán)路可較為穩(wěn)定的工作，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖2 雙管反激變換器工作模式

3 控制器的選擇

為了實現(xiàn)f lyback的QR工作模式采用L6565D控制芯片，這是一款基于變頻技術(shù)控制的IC，該芯片自帶電壓前饋功能。相比于常規(guī)的定頻控制IC（如3843、3845等）該芯片可以根據(jù)輸入電壓的變化自動調(diào)節(jié)內(nèi)部的限流電壓Vcs，從而也改變了芯片的工作頻率。而定頻控制的IC，功率一定的條件下，當(dāng)輸入電壓大幅度變化時，原邊電流變化也較大，限流電阻的阻值不容易選取，電流采樣精度也不高。根據(jù)L6565D技術(shù)手冊中的Vcx跟隨輸入電壓變化而變化的參數(shù)曲線。參考本文輸入電壓范圍是DC200V-1000V，計算出前饋電阻取分壓比1/400即VFF電壓范圍是0.5V-2.5V；根據(jù)設(shè)計的原邊峰值電流的大小，選擇一條合適的曲線便可計算出限流電阻大小。

4 實驗結(jié)果

電源工作環(huán)境及相關(guān)參數(shù)為：輸入范圍：DC200-1000V；輸出電壓：±12V；功率：18W；頻率范圍：70KHz-240KHz；原邊感量：3.5mH；預(yù)設(shè)效率：88%。

在設(shè)計該變壓器的時候需要注意一個重要參數(shù)，就是考慮到L6565D芯片3.5us的消隱時間，因此在設(shè)計變壓器時其關(guān)斷時間一定要大于3.5us，否則該芯片ZCD引腳容易判斷錯誤，其開關(guān)管導(dǎo)通時刻提前到谷底出現(xiàn)前的高電壓處，實現(xiàn)不了準(zhǔn)軟開關(guān)的功能。

仿真結(jié)果表明，輸入電壓200V時，為低壓帶滿載的條件下，占空比較大接近45%，同時開關(guān)頻率在75kHz左右，Vds波形接近零電壓導(dǎo)通。輸入電壓600V時，在高壓下變壓器原邊電流較小，使得占空比很窄。由于變壓器的匝數(shù)比n一定，反射電壓Vor=n*Vo也就為定值，從而發(fā)生諧振的第一個谷底電壓就會抬升，因此，在輸入高壓下開關(guān)管的開關(guān)損耗明顯要比低壓下大。輸入電壓1000V時沒有實現(xiàn)第一個谷底導(dǎo)通，是因為1000V輸入條件下帶載18W相對來說是輕載，變壓器的關(guān)斷時間無法保證大于芯片3.5us的消隱時間導(dǎo)致的。對比發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)諧振技術(shù)無法保證全電壓、全功率范圍內(nèi)實現(xiàn)。同時分別仿真了L6565芯片和UC3843芯片在相同輸入電壓、相同負載條件下的效率，結(jié)果表明，用準(zhǔn)諧振軟開關(guān)的效率明顯要高于硬開關(guān)的效率。當(dāng)輸入電壓很高時，二者的效率幾乎一致，進一步表明在高壓時開關(guān)管并沒有實現(xiàn)第一個谷底導(dǎo)通，因此準(zhǔn)諧振軟開關(guān)技術(shù)在寬電壓范圍的低端效率較高，高端效果不明顯。

[1]高濱,陳坤鵬,夏東偉，等.一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的反激輔助電源設(shè)計[J].電源學(xué)報，2015，13（4）：120-123.

[2]汪洋,林海青,常越.反激式準(zhǔn)諧振開關(guān)電源工作頻率確定及電源研制[J].電力電子技術(shù),2005,39（3）：92-94.