一種基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激電源設(shè)計(jì)

申宏偉，張昊東，朱燕萍，萬志華，曹 帥

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引 言

在大功率電池充電機(jī)中，一般需要單獨(dú)的輔助電源為內(nèi)部控制電路和散熱風(fēng)扇等供電。由于輔助電源僅為充電機(jī)內(nèi)部電路供電，完全作為充電機(jī)的內(nèi)部損耗，影響整機(jī)效率，因此要求輔助電源的效率盡量高。反激變換器由于具有電路簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，常作為輔助電源使用。傳統(tǒng)的反激變換器，當(dāng)工作在電流斷續(xù)模式時，開關(guān)關(guān)斷，電流降為0 后，開關(guān)兩端電壓處于自由震蕩狀態(tài)；開關(guān)開通時，MOSFET 兩端電壓可能處于諧振電壓峰值附近，開通損耗較大，效率降低。本文設(shè)計(jì)一種基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激電源，作為充電機(jī)內(nèi)部輔助電源，可有效減小損耗，提升整機(jī)效率[1]。

1 工作原理

基本反激變換器的電路原理如圖1 所示。

圖1 基本反激變換器電路原理

反激電源一般工作在電流斷續(xù)模式，如圖2 所示。當(dāng)原邊開關(guān)管Q1關(guān)斷時，由于變壓器副邊流過電流，變壓器原邊被鉗位至副邊反射到原邊的電壓Ureflect，此時變壓器漏感Lleak與開關(guān)兩端電容Cds產(chǎn)生諧振，使開關(guān)管Q1兩端電壓Uds以Uin+Ureflect為中心震蕩，震蕩周期為，并最終在線路阻尼的作用下衰減穩(wěn)定至Uin+Ureflect。繼而當(dāng)副邊電流降低至0 時，原邊開關(guān)Q1的漏源電壓Uds的大小會從Uin+Ureflect降低至輸入電壓Uin，并在變壓器原邊電感Lp和Q1兩端的電容Cds組成的諧振網(wǎng)絡(luò)的作用下以Uin為中心震蕩，震蕩周期為。傳統(tǒng)反激電源一般工作在定頻模式，原邊MOSFET按照固定周期開關(guān)，因此在MOSFET 開通時，Uds兩端電壓不確定。若在電壓震蕩波峰附近開通，則開通瞬間Cds會通過 Q1放電，產(chǎn)生很大的尖峰電流，增加了開通損耗，同時尖峰電流包含大量諧波成分，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的EMI 干擾。

圖2 反激變換器開關(guān)管兩端電壓Uds 示意

采用準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激變換器具有谷底檢測和觸發(fā)功能，能夠控制開關(guān)管在電壓震蕩谷底處觸發(fā)開通，從而可以減小開通損耗，提升電源的效率，同時也可以優(yōu)化電源的EMI 特性[2-5]。

2 電路設(shè)計(jì)

本文所述基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激變換器電路如圖3 所示，輸入電壓范圍為510 ～860 V，最大輸出功率為65 W，額定輸出電壓為15 V，預(yù)估效率為0.85。輸入從充電機(jī)前級 PFC 輸出母線電壓處取電，輸出一路15 V，為充電機(jī)內(nèi)部控制電路供電。主控芯片采用NCP1380，是一款準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的專用控制器。該控制器基于谷底鎖定技術(shù)，可以根據(jù)負(fù)載大小自動切換開通時刻和開關(guān)頻率。隨著負(fù)載降低，可以控制電源開通時刻從第1個谷底依次切換到第2個、第3個，直至第 4 個谷底，并在負(fù)載繼續(xù)降低時切換到變頻模式，在全負(fù)載范圍內(nèi)提升電源效率。15 V 輸出采用同步整流，從而降低整流管導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提升電源的效率。15 V 輸出通過TL431 和光耦組成的反饋電路反饋至原邊NCP1380 的控制端，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制。二極管VD1、瞬態(tài)抑制二極管VZ3和電容C9組成吸收電路，用于吸收變壓器漏感引起的電壓尖峰，保護(hù)原邊開關(guān)管M1免受過壓損壞。電阻R1～R3、二極管VD6、VD11和電容C2組成波谷檢測電路，與NCP1380的ZCD 引腳配合，完成波谷檢測和觸發(fā)功能。

圖3 基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激變換器電路

3 仿真驗(yàn)證

在SIMPLIS 軟件中搭建仿真模型，如圖4 所示。

圖4 基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激電源仿真模型

運(yùn)行仿真模型電路，獲取電源在不同負(fù)載下的Uds波形如圖5 所示。電源根據(jù)負(fù)載的變化，自動鎖定觸發(fā)谷底，輕載時在第4 個電壓諧振谷底開通。隨著負(fù)載增加，依次切換到第3 個、第2 個和第1 個谷底，實(shí)現(xiàn)了全負(fù)載范圍內(nèi)的效率優(yōu)化提升，并兼顧了穩(wěn)定性的均衡。

圖5 不同負(fù)載條件下Uds 的仿真波形

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激電源樣機(jī)實(shí)物照片如圖6所示。

圖6 電源測試樣機(jī)照片

測試電源在不同負(fù)載下的Uds波形如圖7 所示，可以看到電源根據(jù)負(fù)載變化自動鎖定第1 ～4 個谷底觸發(fā)開通，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)諧振控制，與電路仿真的波形相符，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖7 不同負(fù)載條件下的實(shí)測波形

測試電源在不同輸入電壓和不同負(fù)載條件下的效率，結(jié)果如圖8 所示，在全負(fù)載范圍內(nèi)效率得到有效提升，最高點(diǎn)效率達(dá)到85%。

圖8 電源樣機(jī)效率測試結(jié)果

5 結(jié) 論

針對大功率電池充電機(jī)內(nèi)部輔助電源的應(yīng)用場合，設(shè)計(jì)一種基于準(zhǔn)諧振技術(shù)的反激電源。文中詳細(xì)分析了該電源采用的準(zhǔn)諧振谷底觸發(fā)技術(shù)的原理，介紹了實(shí)際電源電路的設(shè)計(jì)和工作原理，并進(jìn)行了仿真和實(shí)物驗(yàn)證。仿真和實(shí)測結(jié)果表明，該反激電源實(shí)現(xiàn)了全負(fù)載范圍內(nèi)的效率優(yōu)化。