寬電壓直流輸入雙端反激開關(guān)電源仿真與設(shè)計

張明 詹佩 袁鑰

（西安西馳電氣股份有限公司 陜西省西安市 710075）

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是開關(guān)器件的高頻化、控制策略的性能改進(jìn)，電力電子產(chǎn)品逐漸趨向于小型化、高效化以及高功率密度化。作為有目共睹的典型特例，以往的大體積、低效率的開關(guān)電源逐漸被淘汰，高頻化、小體積、高效率的開關(guān)電源越來越得以推廣。

隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，衍生出了多種類別。根據(jù)變壓器輸入輸出繞組是否為同名端，開關(guān)電源可分為正激式和反激式；根據(jù)拓?fù)潆娐凡煌煞譃椴粚ΨQ半橋、全橋等。相對來說，目前在中、小功率段仍以反激式開關(guān)電源為主，究其原因主要有以下兩點：

（1）反激式開關(guān)電源在開關(guān)導(dǎo)通時勵磁，能量儲存在變壓器中，當(dāng)開關(guān)管斷開后，變壓器中的能量才傳遞給負(fù)載，即不能實時傳遞能量，故不適合較大功率；

（2）相對比其它拓?fù)?，正激式開關(guān)電源需要額外的磁復(fù)位繞組及電路；全橋拓?fù)湓骷?，大功率場合具有一定?yōu)勢；不對稱半橋雖然成本低，但損耗較大；最主要的，同等功率下，反激開關(guān)電源效率最高。因此，反激開關(guān)電源經(jīng)常用于各種裝置、小系統(tǒng)的供電[1]。

根據(jù)變壓器原邊繞組所接開關(guān)管的個數(shù)，反激式開關(guān)電源又可分為單端式和雙端式。其中，單端式應(yīng)用最為廣泛，常用于工頻交流90-270V；當(dāng)輸入為較高的直流電壓時，由于單端反激開關(guān)管關(guān)斷時尖峰電壓較高，對開關(guān)管耐壓要求較高，故經(jīng)常采用雙端反激。通過上面所述，采用雙端反激能夠避免開關(guān)管關(guān)斷電壓過高帶來的不利，其與單端反激在原理上無太大區(qū)別。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對每個行業(yè)的仿真軟件層出不窮；作為電力電子領(lǐng)域代表，PSIM 仿真軟件具有功能齊全、操作簡單等優(yōu)點，是該領(lǐng)域極其實用的工具。文章借助PSIM 仿真工具搭建了基于UC3844 控制芯片的雙端反激開關(guān)電源電路，通過仿真模型驗證電路設(shè)計的合理性；通過實物的測試進(jìn)一步優(yōu)化仿真模型，從理論和實踐上對同類別雙端反激開關(guān)電源的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 UC3844工作原理

UC3844 是高性能固定頻率的電流模式控制器，該控制器內(nèi)部集成了振蕩器、基準(zhǔn)參考電平、高增益誤差放大器、PWM 發(fā)生器以及推挽輸出電路等，還具備過欠壓及過流保護(hù)等功能，設(shè)計人員只需提供少量外部元件即可滿足設(shè)計需求，故經(jīng)常應(yīng)用到開關(guān)電源設(shè)計之中[4]。

當(dāng)UC3844 應(yīng)用于反激式開關(guān)電源設(shè)計時，除了能夠滿足上述保護(hù)功能，還需具備以下兩個主要功能：

（1）能夠根據(jù)設(shè)計需求產(chǎn)生固定頻率的PWM 波，用于控制MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖1：雙端反激開關(guān)電源閉環(huán)控制仿真模型

圖2：DC500V 輸入時滿載閉環(huán)仿真

圖3：DC900V 輸入時滿載閉環(huán)仿真

為了能夠?qū)崿F(xiàn)輸出PWM 波頻率可調(diào)，控制器預(yù)留外部接口，通過設(shè)置相應(yīng)的R 和C 值，即可得到所需的頻率。其計算公式為f=1.72/(R*C)。

（2）借助適當(dāng)?shù)耐鈬妷悍答侂娐?，通過不斷調(diào)節(jié)PWM 波占空比實現(xiàn)輸出電壓的準(zhǔn)確控制。

UC3844 控制器內(nèi)部集成誤差放大器，可通過將輸出電壓處理后送至電壓反饋端，再配合適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路；不過該補(bǔ)償方式響應(yīng)速度較差。一般常用TL431 配合光耦的方式進(jìn)行電壓反饋處理[3]，直接送到控制器的補(bǔ)償端，控制器根據(jù)誤差量的大小實時調(diào)節(jié)輸出PWM 波的占空比，最終實現(xiàn)輸出電壓的準(zhǔn)確控制。

2 雙端反激電源仿真

圖4：DC500V 輸入時滿載測試

圖5：DC900V 輸入時滿載測試

雙端反激拓?fù)鋰@變壓器為核心，原邊側(cè)一般采用兩只MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)晶體管）及鉗位電路，副邊根據(jù)需要設(shè)計輸出繞組的個數(shù)以及電壓等級。文章設(shè)計的雙端反激拓?fù)洌笤呡斎胫绷麟妷悍秶梢詽M足DC500-900V；副邊能夠輸出15V 和24V 兩路直流電壓。

作為一臺設(shè)計合理的反激式變壓器，業(yè)界已有各種相應(yīng)的考核指標(biāo)。最基本的比如電壓、負(fù)載調(diào)整率，電壓紋波等，再有就是噪音、安規(guī)以及電磁兼容等性能的考核[5]。

根據(jù)設(shè)計要求，分別對UC3844 控制器及外圍電路、雙端反激拓?fù)潆娐愤M(jìn)行模型搭建，最終本文搭建的雙端反激開關(guān)電源閉環(huán)控制模型如圖1 所示。通過滿載時不同輸入電壓的測試，進(jìn)行負(fù)載調(diào)整率的仿真，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

仿真結(jié)果分別對輸入母線電壓、15V、24V 以及負(fù)載電流波形進(jìn)行記錄，從仿真數(shù)據(jù)可以看出，該雙端反激開關(guān)電源仿真模型可以實現(xiàn)寬范圍直流電壓輸入下的空載、滿載功能；受閉環(huán)控制性能的影響，滿載時電壓的跟隨性能并不完美，紋波稍微偏大，但基本可以達(dá)到設(shè)計要求。

實際應(yīng)用中，UC3844 需要有單獨的充電回路，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作門檻電壓才正常工作；該充電回路一般時間較長，為避免仿真時間過長，仿真模型直接給定門檻電壓。此外，控制器具備的過欠壓保護(hù)、過流保護(hù)功能等實現(xiàn)較簡單，本文不再一一羅列。

3 雙端反激電源實物設(shè)計

結(jié)合仿真模型最終設(shè)計了一款具備兩路電壓輸出、額定功率150W 的雙端反激式開關(guān)電源。

與仿真模型不同的是，考慮到兩個MOSFET（金屬氧化物場效應(yīng)晶體管）的源極不在同一個電位，故需要設(shè)計兩路互相隔離的驅(qū)動電路；變壓器設(shè)計方面，為減小漏感帶來的不利影響，采用三明治繞線方式[2]。

對照仿真結(jié)果進(jìn)行實物測試，分別對不同輸入電壓時滿載下的電壓輸出波形進(jìn)行記錄，分別如圖4、圖5 所示。其中通道1 為24V 輸出，通道2 為15V 輸出，通道3 為負(fù)載電流，通道4 為輸入直流母線電壓。

通過對比仿真結(jié)果，輸入電壓和負(fù)載的變化對實際輸出電壓的幅值有一定影響，但基本與仿真結(jié)論一致。至于仿真模型與實際產(chǎn)品的差別，一方面，仿真中變壓器、走線都是理想模型，而實物要受到變壓器自身漏感、PCB 走線等多方面影響；另一方面，環(huán)路控制方面，實際產(chǎn)品環(huán)路中的元器件雜散參數(shù)、檢測位置等都會影響最終控制的精確度。

4 結(jié)論

根據(jù)雙端反激開關(guān)電源的工作原理，搭建了基于PSIM 仿真軟件的仿真模型，通過仿真驗證了電路功能的可行性；在仿真模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需求設(shè)計了一款雙端反激式開關(guān)電源，實測結(jié)果表明電路功能正常，雖然輸出電壓精度比仿真結(jié)果稍差，但整體上能夠滿足設(shè)計需求。通過仿真和實際設(shè)計驗證，對雙端反激式開關(guān)電源的設(shè)計積累了大量經(jīng)驗，縮短了對同類別產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期，具有一定的指導(dǎo)意義。

當(dāng)然，優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計依靠的是不斷的技術(shù)提升，不斷的創(chuàng)新突破。通過對比分析可以看出，文章搭建的仿真模型，還存在一定的理想化，所以可以對功能以及簡單的性能進(jìn)行仿真。要達(dá)到實際產(chǎn)品測試的效果，還需在深刻理解其原理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化；比如考慮變壓器的漏感、元器件自身的雜散參數(shù)等。