楊榮峰,劉 英,于 泳,俆殿國,王仁飛

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330032;3.北京遠(yuǎn)索科技有限公司，北京100084）

單端反激式開關(guān)電源不需要輸出濾波電感，體積小巧，無需高壓續(xù)流二極管，變壓器原副邊電氣隔離，電路拓?fù)浜唵?、成本低、性能穩(wěn)定[1-3]，廣泛用于小功率直流電源設(shè)計中，如工業(yè)變頻驅(qū)動設(shè)備的供電電源[4]。

由于中壓變頻、斷提高，例如1700V的IGBT模塊應(yīng)用已經(jīng)非常普遍,其直流母線電壓往往高于1000 V。此時功率模塊的驅(qū)動電路供電電源的方案有：(1)采用直流低電壓(+15 V)，然后通過隔離DC/DC變換得到相應(yīng)直流電壓;(2)采用隔離變壓器獲得輸出低壓交流電(AC100 V)，再設(shè)計相應(yīng)的開關(guān)電源;(3)直接對高輸入直流母線電壓設(shè)計開關(guān)變壓器。其中最后一種設(shè)計方案電源隔離效果較好，適用于高電壓場合，且無需額外連線，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。但該方案所需要解決的是輸入電壓高的問題，其開關(guān)器件的耐壓等級要求較高,同時原副邊電壓值差異大,導(dǎo)致變壓器設(shè)計困難。因此，研究高直流母線電壓條件下反激式開關(guān)電源的設(shè)計方法具有重要意義。本文討論了高直流母線條件下開關(guān)電源的設(shè)計方法，包括電路結(jié)構(gòu)、器件選擇和變壓器設(shè)計，并提供了詳細(xì)的實驗波形，為反激式開關(guān)電源設(shè)計提供了參考。

1 反激式開關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)

本文采用的反激式開關(guān)電源電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器原邊導(dǎo)通，電流線性上升，磁場儲能；當(dāng)開關(guān)管截止時，磁能向副邊釋放電能。該結(jié)構(gòu)采用UC3844電源控制芯片,通過穩(wěn)壓芯片TL431構(gòu)建電壓外環(huán),并通過采樣電阻構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)定電壓控制。UC3844的6腳輸出脈寬調(diào)制信號，驅(qū)動開關(guān)管。開關(guān)管導(dǎo)通時，原邊電流增大，采樣電阻Rs的電壓逐漸升高并反饋回UC3844的3腳,當(dāng)此信號大于1 V(或電壓外環(huán)參考值)時將關(guān)斷脈沖輸出。同時,輸出電壓通過TL431構(gòu)成反饋電壓環(huán)電路，當(dāng)輸出電壓一旦高于設(shè)定電壓時,補償電壓將變?yōu)榈碗娖椒答伝豒C3844的1腳，從而關(guān)斷PWM輸出。由于UC3844輸出脈寬信號的最大占空比為50%，因此適合于設(shè)計斷續(xù)模式的反激式開關(guān)電源。

圖1 反激式開關(guān)電源主電路

2 器件選擇及參數(shù)選取

由于輸入直流母線的電壓高(500 V～1 300 V)，因此開關(guān)器件需采用高耐壓等級器件。最大電壓出現(xiàn)在關(guān)斷時刻，為母線電壓、反激電壓與漏感造成的尖峰電壓之和?？刹捎媚蛪旱燃墳?700V的小功率IGBT模塊，如IXYS公司的IXGH6N170A。驅(qū)動電路設(shè)計可采用圖2(a)的電路進行設(shè)計，加速IGBT關(guān)斷過程；也可采用圖2(b)的方法，當(dāng)驅(qū)動信號為低電平時，通過PNP管T1放電回路可快速釋放開關(guān)管內(nèi)部電容存儲的電荷,加快關(guān)斷過程。

緩沖電路的二極管也將承受高電壓，最大反向電壓為開關(guān)管導(dǎo)通時刻，電壓為母線電壓與反激電壓之和。因此,二極管的耐壓等級最好選擇與開關(guān)管的耐壓等級相同，且選用恢復(fù)時間短的快速二極管。

由于漏感的影響，造成關(guān)斷時刻UDS出現(xiàn)尖峰電壓，而漏感在變壓器制造過程中由于開氣隙而必然存在。為了在關(guān)斷時刻快速釋放漏感能量，在RC電路上再并聯(lián)一個瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)，可以有效消除漏感影響，保障器件的可靠運行。但在變壓器設(shè)計時也應(yīng)盡量減小漏感，否則瞬態(tài)抑制二極管將消耗過大功率而發(fā)熱。瞬態(tài)抑制二極管導(dǎo)通電壓選取為略大于母線電壓與反激電壓之和。

基于TL431的電壓反饋電路如圖3所示。TL431電路功能為：當(dāng)輸出電壓VO1經(jīng)過R1和R2的分壓小于TL431的參考電壓 Vref(=2.5V)時，TL431輸出的電壓將近似等于VO1，此時光耦器件不導(dǎo)通,光耦輸出為高電平，不影響UC3844的脈寬輸出;反之，如果輸出電壓 VO1的分壓超過 Vref，則 TL431輸出約為 2 V，此時光耦器件導(dǎo)通,輸出為低電平，封鎖UC3844的輸出。如圖3所示。

圖3 基于TL431的電壓反饋

根據(jù)UC3844的閉環(huán)控制特點，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，直接限制了器件的導(dǎo)通時間，其開啟與關(guān)斷應(yīng)靈敏及時，否則可能導(dǎo)致器件瞬間過流損壞，故相應(yīng)電路的濾波時間常數(shù)取值應(yīng)比較小。而電壓閉環(huán)為外環(huán)控制，且由于副邊充電電容的濾波作用，電壓變化較為緩慢，不需做快速調(diào)節(jié)，因此相應(yīng)的時間常數(shù)可取大一些。

此外，除了通過從副邊引出一個附加電源繞組經(jīng)整流濾波后給UC3844供電外,還需要從直流母線引出一條額外的回路給充電電容。因為上電時開關(guān)管尚未工作,需要直接通過直流母線給電容充電,使得UC3844供電電壓大于16 V，UC3844才能開始工作,此后再由附加電源繞組給UC3844供電。一般上電幾秒鐘后UC3844應(yīng)工作，因此需要合理設(shè)置充放電時間常數(shù)，由于電容僅給UC3844供電，負(fù)載較輕，且上電充電電流較小，電容容值不需太大，通常小于 100 μF。由于 VDC電壓較高，設(shè)計時應(yīng)考慮器件的絕緣耐壓問題,可以對預(yù)充電回路采用多個電阻串聯(lián)實現(xiàn)。

3 開關(guān)變壓器設(shè)計

開關(guān)變壓器是開關(guān)電源設(shè)計的重點與難點。開關(guān)變壓器的參數(shù)可按照常用反激式變壓器的設(shè)計步驟進行計算[1]，但也應(yīng)考慮高輸入電壓下的特殊情況，特別是要保證器件的耐壓問題、高匝數(shù)比的問題及初始線圈匝數(shù)多的問題。

為了保證變壓器工作于斷續(xù)模式下，設(shè)計斷續(xù)模式下反激式開關(guān)變壓器,應(yīng)保證開關(guān)管導(dǎo)通時間小于最大導(dǎo)通時間:

其中,VO為反饋繞組電壓，Np為原邊繞組匝數(shù)，Nsm為反饋繞組匝數(shù)，T為開關(guān)周期，(VO+1)(Np/Nsm)為反激電壓。開關(guān)器件所承受電壓為反激電壓與母線電壓之和,并且還應(yīng)留出10%以上的裕度。母線電壓最高為1300V，若取反激電壓為160 V，則器件最高電壓為1460V，有240 V的裕量。把反激電壓和Vdcmin=500V代入式(1)可得Tonmax=0.24 T。

變壓器原邊電感Lm計算如下為:

其中,Dmax為最大占空比，Pin為最大輸入功率，fs為開關(guān)頻率。

峰值電流Idspk為:

由于采用電流閉環(huán)，當(dāng)電壓環(huán)補償電壓較高時，電流采樣信號最高可達 1 V，此后UC3844將關(guān)閉，因此采樣電阻阻值可按式(4)選?。?/p>

為確保安全，特別在開始調(diào)試電路時，采樣電阻阻值通常選取為大于Rs值;反過來，通過調(diào)節(jié)采樣電阻值，還能限制原邊峰值電流，從而控制開關(guān)器件最大導(dǎo)通時間。

此外，需要選擇合適的磁芯,通過計算磁芯 Ae、Ap值可以初步確定磁芯范圍。但輸入高時電壓,突出的問題是原邊線圈匝數(shù)設(shè)計困難，原邊線圈匝數(shù)至少為：

其中,Bsat為飽和磁通密度，一般可取 0.3 T～0.35 T，對于常用的PC40磁芯可取0.2 T。Ae為磁芯有效橫截面積，通過查閱磁芯資料可得，單位為mm2。由于輸入直流電壓Vdc很高，造成初始線圈匝數(shù)很大，特別是副邊繞組較多時，線圈總截面積將大于磁芯窗口面積,從而無法繞下線圈。為此需要選擇Ae值較大的磁芯,如PQ3535、EE4220等磁芯。因其相應(yīng)的磁芯窗口面積也較大，可減少初始線圈匝數(shù)。

線圈匝數(shù)比根據(jù)反激電壓VR=(VO+1)(Np/Nsm)可計算得到，即：

為了增大安匝數(shù)，變壓器需要開氣隙，但應(yīng)盡量減少漏感，以減輕緩沖回路的壓力。可增加一個TVS二極管以保證器件安全。

4 實驗波形

按照本開關(guān)變壓器的設(shè)計方法，本設(shè)計最終完成的開關(guān)變壓器規(guī)格的輸入電壓為500 V～1 300 V，反饋繞組輸出電壓為5 V，多路繞組輸出電壓分別為+15 V、-15 V，四路26 V及輔助電源繞組+16 V，采用IGBT模塊IXGH6N170A，PQ35/35磁芯，開關(guān)調(diào)制信號的頻率為25 kHz。開關(guān)管UDS與IDS波形如圖4所示,通道1為UDS波形，通道3為IDS波形。其中母線電壓為500 V，反激電壓為200 V，電壓通過高壓探頭獲得，電流信號則通過電流鉗獲得。該圖顯示了反激式開關(guān)電源各階段運行情況。

在接近第3個 μs處，開關(guān)管開啟，開關(guān)管兩端電壓降為0，電流線性增加，增加到最大值時所用時間可由

圖4 開關(guān)管UDS與IDS波形

式(3)得到。在 5.4 μs處，開關(guān)管關(guān)閉，其兩端電壓升高。由于漏感影響，關(guān)斷時刻電壓大于直流母線電壓與反激電壓之和(Vdc+VR)，但由于TVS釋放能量及抑制作用，電壓基本被限制在(Vdc+VR)之下，穩(wěn)定后UDS電壓等于(Vdc+VR)。

對于IGBT功率模塊，開關(guān)器件的功率損耗主要體現(xiàn)在關(guān)斷過程中[5]。開關(guān)管關(guān)斷時,其UDS與IDS波形如圖5所示。同樣通道 1為 UDS波形，通道 3為IDS波形。根據(jù)電流電壓波形，近似認(rèn)為關(guān)斷過程中電流為200 mA，電壓上升時間近似為300 ns，開關(guān)周期為25 kHz，可計算得到開關(guān)管消耗功率為：

圖5 開關(guān)管關(guān)斷時UDS與IDS波形

開關(guān)管損耗能量以熱量形式發(fā)送出去，將引起開關(guān)管發(fā)熱。母線電壓越高，UDS電壓上升時間越長，上升電壓值越大，發(fā)熱越嚴(yán)重，需要給IGBT管配置更大的散熱片，同時在保證能量供給條件下盡量降低開關(guān)頻率。

變壓器多個開關(guān)周期內(nèi)的電壓UDS(通道1)與電流IDS(通道 3)波形如圖6 所示。 在 20 μs～50 μs 之間 ，緩沖電路的電容和變壓器主電感發(fā)生諧振。

本文分析了高輸入電壓下單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計方法與關(guān)鍵問題，包括器件的選擇、電路參數(shù)的設(shè)定與開關(guān)變壓器的設(shè)計，討論了器件的驅(qū)動性能和散熱問題，所提出的方案切實可行。并給出了詳盡的實驗波形，分析了開關(guān)電源工作過程中IGBT電壓UDS與電流IDS的變化規(guī)律，實驗波形為開關(guān)電源設(shè)計提供了很好的范例。

圖6 電容電感諧振波形

此外，在實際開關(guān)電源設(shè)計中，設(shè)計者還需要考慮器件及布線過程中的安全耐壓問題，防止距離過近造成的爬電影響，優(yōu)化布線，減少電路中的分布電感和分布電容。

[1]PRESSMAN A I.開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強,譯.北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[2]徐勇，金辛海.多路輸出反激式開關(guān)電源的反饋環(huán)路設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2009,12(1):23-27.

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[5]蔣懷剛，李喬，何志偉.IGBT模塊驅(qū)動及保護技術(shù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2003,6(4):132-136.