基于準諧振技術的寬輸入電壓范圍雙管反激電源設計

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構簡單、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電系統輔助電源。在光伏并網逆變器系統中，接入的太陽能電池板陣列的輸出電壓范圍是直流200-1000V，當采用單端反激變換器拓撲時，單個開關管將承受很高的輸入電壓，因此開關管容易被擊穿損壞。采用的開關管的耐壓值越高，其效率和可靠性就越低，為增加可靠性會導致結構設計復雜，成本增高。本文采用了準諧振技術，依靠雙管反激的設計思路，利用原邊勵磁電感和開關管內部輸出電容及電路中的其它雜散電容產生諧振，通過L6565D芯片的控制實現零電壓導通和低電壓導通的軟開關技術。有效地減少了開關管的導通損耗，提高了變換器的效率，實現了后級穩定的輸出。

1 電路拓撲結構及其工作過程

圖1為雙管反激式變換器電路原理，開關管Q1和Q2同時導通和關斷，電路的工作模式為：導通狀態（Q1和Q2同時導通）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；關斷狀態（Q1和Q2同時關斷）根據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導通。同時，初級側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，由于開關管生產工藝差別以及電路其它寄生參數的影響，兩個開關管不可能同時導通和關斷，因此二者所承受的電壓也并不完全相等。在電路設計中通常通過以下幾種方法來解決實際電路中開關管分壓不均問題：1、兩開關管驅動線路的PCB走線長度和形狀盡量保持一致，同時柵源極的驅動引線盡可能并行走線；2、驅動電阻選擇±0.5%精度，以減少驅動信號誤差。3、采用三明治繞法使驅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管內的柵源電容，篩選性能和參數盡量一致的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 反激式準諧振變換器原理

準諧振反激變換器和傳統的反激變換器最大的不同之處就是開關管的導通時刻不同。反激變換器是一種硬開關型電路，無論其工作在斷續模式還是連續模式下，開關管在震蕩波形較高的一個電壓平臺處導通，因此開關管的開通損耗和關斷損耗較大，因此傳統反激變換器的效率較低。本文設計的準諧振變換器可通過L6565D檢測變壓器磁復位狀態，控制開關管在震蕩電壓的谷底處導通，實現了準軟開關功能。由于在低電壓處導通，使得開關損耗大大降低，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諧振模式，要求變換器工作在DCM模式。由于開關頻率是變化的，這要求我們在設計準諧振變壓器的時候，要低壓滿載以fs-min固定頻率設計在DCM模式，這樣能保證電壓升高導致頻率發生變化時，變換器仍然可以工作在DCM模式。在設計反饋環路中，由于DCM模式下不存在右半平面零點問題，因此調節環路可較為穩定的工作，保證了輸出電壓的穩定性。

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控制的IC，該芯片自帶電壓前饋功能。相比于常規的定頻控制IC（如3843、3845等）該芯片可以根據輸入電壓的變化自動調節內部的限流電壓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L6565D技術手冊中的Vcx跟隨輸入電壓變化而變化的參數曲線。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；根據設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 實驗結果

電源工作環境及相關參數為：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；預設效率：88%。

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

仿真結果表明，輸入電壓200V時，為低壓帶滿載的條件下，占空比較大接近45%，同時開關頻率在75kHz左右，Vds波形接近零電壓導通。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。由于變壓器的匝數比n一定，反射電壓Vor=n*Vo也就為定值，從而發生諧振的第一個谷底電壓就會抬升，因此，在輸入高壓下開關管的開關損耗明顯要比低壓下大。輸入電壓1000V時沒有實現第一個谷底導通，是因為1000V輸入條件下帶載18W相對來說是輕載，變壓器的關斷時間無法保證大于芯片3.5us的消隱時間導致的。對比發現準諧振技術無法保證全電壓、全功率范圍內實現。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，結果表明，用準諧振軟開關的效率明顯要高于硬開關的效率。當輸入電壓很高時，二者的效率幾乎一致，進一步表明在高壓時開關管并沒有實現第一個谷底導通，因此準諧振軟開關技術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.一種應用于光伏系統的反激輔助電源設計[J].電源學報，2015，13（4）：120-123.

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