一種新型高壓輸入開關電源的設計

李江達，韓留軍，曾 正

（1.無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214035；2. 中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 前 言

近年來，隨著電力電子技術的發展，各個應用領域對電源的體積、重量、效率等方面提出了越來越高的要求。以電流型PWM控制器為核心的高頻開關電源由于具有體積小、重量輕、效率高、線路簡潔、可靠性高以及具有較強的自動均衡各路輸出負載的能力等優點，非常適合用于中小功率的場合。

本文給出了一種用于燃料電池控制的新型高壓輸入雙管反激電源的設計。該設計基于UC3844高性能電流型PWM控制器，采用電壓反饋和電流反饋雙閉環串級結構，使輸出電壓能夠很好地穩定，電壓調整率和負載調整率都較高。

2 雙管反激變換電路的特點

反激電路是現代電力電子技術中應用廣泛的一種拓撲結構，主要應用于小功率場合。這種拓撲結構是由Buck-Boost 結構加上隔離變壓器推演得到，圖1所示的雙管反激變換電路，兩個開關管同時導通同時關斷，在功率管關斷時，由于變壓器漏感能量通過續流二極管D1和D2回饋給輸入側，使功率開關管的電壓應力被箝位在輸入電壓。因此在高壓輸入場合雙管反激電路有其特有的優點。

圖1 雙管反激拓撲結構

雙管反激變換器有以下特點：

（1）在開關管關斷時，儲存在漏感中的能量經續流二極管回饋給電源，系統能量損失小，效率高；

（2）有效抑制關斷電壓尖峰，使開關管電壓應力為輸入電壓，與單端反激變換器相比，功率器件可選取耐壓較低的管子；

（3）與單管反激變換器相比，不需要額外的吸收電路，可靠性提高。

3 模塊設計要求及設計分析

3.1 設計要求

輸入電壓范圍Vin=150V～400V；Vin（typ）=360V±20V。

模塊的輸出電壓Vo=24V±1V；模塊額定輸出電流Io=4.25A。

效率考核條件為：輸入電壓360V±20V，輸出電壓24V±1V，輸出電流3.33A±0.2A，η>90%。

3.2 關鍵技術及原理分析

圖2 電路原理圖

3.2.1 主電路部分（如圖2）

當Q1、Q2導通，電源電壓將加在原邊LP其漏感LLP兩端，設繞組的同名端為正，輸出整流二極管D3、D4、D6反偏關斷，因此在原邊“導通”期間，副邊無電流流過，副邊漏感LLs可以忽略。

在“導通”期間變壓器原邊電流線性增加由式（1）定義。

3.2.2 輔助供電部分（如圖2）

R1、R2是UC3844的啟動電阻，直流高壓經R1、R2給電容C4充電，當C4兩端電壓沖到16V時，UC3844啟動工作，在變壓器繞組Ls2產生的感應電壓經過D3、D4整流后繼續給UC3844提供工作電壓。R1、R2電阻值可按照下式計算：

取C4的充電電流為1.5mA，通過計算可得R1=180kΩ，R2=20kΩ。

啟動延時時間：

3.2.3 隔離電壓反饋部分

采用TL431、PC817作為參考、隔離、取樣。其電路圖如圖3所示。

取Ika=If+IR6-IR7=3+2.18-0.21=4.97mA。再看TL431的技術參數知，Vka在2.5V～37V變化時，Ika可以在1mA～100mA以內的很大范圍里變化，所以本設計Ika和Vka均符合設計要求。

3.3 磁性元件設計

3.3.1 高頻變壓器設計

圖4 PC817不同Ic下的IF 、VS 、VCE

選取金寧磁芯JP3材質 EI33磁芯，引入公式：

其中，Lmin為臨界電感；T為UC3844工作周期；LP1為變壓器初級電感；Po為額定輸出功率；lg為磁芯氣隙長度；ΔBm為脈沖磁感應增量（T）；Ip1為原邊峰值電流。

由以上公式計算可得LP1=3.528mH，原副邊匝比Np：Ns1：Ns2=114：10：15。

3.3.2 驅動磁環設計

由UC3844資料可查得，其6腳輸出電平及驅動磁環的原邊輸入電壓Vin=6V，設輸出電壓Vo=12V，選取采用金寧JH7材質H12/6/4磁芯，引入公式：

其中，N1為原邊匝數；Vin為原邊輸入電壓；f為工作頻率；ΔB為脈沖磁感應增量；Ae為磁芯有效截面積）。由此計算可得N1=10匝，副邊匝數N01=N02。

4 實驗結果

筆者通過對以上設計數據進行優化和微調，研制出符合設計要求的樣機，測試數據如表1和表2。

表1 考核條件下模塊效率測試

表2 空載和滿載下輸出紋波測試

從以上測試數據可知，產品的研制性能基本達到了理論預計，這不僅說明本文提出的理論在實際中的有效性，而且為今后進一步研制更大功率密度的DC/DC變換器提供了必要的基礎。

[1]丁道宏.電力電子技術[M].北京：航空工業出版社，1999：194-200.

[2]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2006：237-303.

[3]林渭勛.現代電力電子電路[M].杭州：浙江大學出版社，2002：387-389.

[4]顧亦磊，呂征宇，顧曉明，等.雙管反激變換器的占空比拓寬技術[J].浙江大學學報（工學版），2006，40（2）：326-329.