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    采用多管并聯(lián)和能量回饋技術(shù)的單端反激電路在低壓供電的逆變電源中的應用

    發(fā)布時間:2012-11-12 責任編輯:Lynnjiao

    【導讀】目前,由電池供電的逆變電源一般由兩級組成,前級DC/DC電路將電池電壓變換成直流約350V電壓,后級DC/AC電路將直流350V電壓變換為交流220V電壓。在這類逆變電源中,輸入電流較大,功率管導通壓降高,損耗大,電源效率很難提高。對于中小功率而言,單端反激電路具有一定優(yōu)勢,本文就采用多管并聯(lián)和能量回饋技術(shù)的單端反激電路在低壓供電的逆變電源中的應用做一些探討。

    常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

    常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,該電路的缺點在于功率管VT截止時,變壓器初級的反峰能量,被VD1、C 1和R 1組成的吸收電路消耗掉;而且在輸出功率相同的情況下,功率管通過電流(相對于多管并聯(lián))大,導通壓降高,損耗大,所以效率和可靠性較低。

    常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)
    圖1:常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

    多管并聯(lián)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

    如圖2所示,該電路的特點是,主功率電路采用4只功率管并聯(lián),每只功率管通過的電流為單管應用時的1/4(假定4只功率管參數(shù)一致),則功率管的導通壓降也應為單管應用時的1/4.根據(jù)計算,在輸出550W時,理論上,4管并聯(lián)比單管可減小通態(tài)損耗約20W,提高效率近3個百分點。

    4只功率管并聯(lián)主功率電路
    圖2:4只功率管并聯(lián)主功率電路

    采用能量回饋技術(shù)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

    采用能量回饋技術(shù)的單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖3所示,其主要波形如圖4所示。在本電路中,用電容C 2、電感L 1、二極管VD1和VD2組成變壓器初級反峰吸收電路,可使大部分反峰能量回饋到輸入電容C 1上,減少了能量損耗,提高了電路效率。 

    初級反峰吸收電路
    圖3:初級反峰吸收電路

    初級反峰吸收電路主要波形
    圖4:初級反峰吸收電路主要波形

    [member]
    [page]
    其工作原理如下:

    (1)t 0~t 1階段。

    t 0時刻功率管截止,變壓器初級電感L 、漏感L K、電容C 2和功率管輸出電容C 0開始諧振,并很快使C 2電壓達到U 0(N 1/N 2),隨后次級二極管導通,初級電壓被鉗位到U 0(N 1/N 2),初級電感L 退出諧振,到t 1時刻I K為0,同時C 2和C 0上電壓達到最大值,即開關(guān)管電壓U S達到最大值(U IN+U C2MXA)。

    (2) t 1~t 2階段。

    在L K、C 2、C 0繼續(xù)諧振,同時電感L 1參與諧振,C 2、C 0給輸入電容C 1回饋能量,并且給L 1補充能量,到t 2時刻諧振停止,C 2電壓又下降到U 0(N 1/N 2)。

    (3)t 2~t 3階段。

    t 2時刻開始,電感L 1給輸入電容C 1回饋能量。

    C 2電壓被鉗位在(N 1/N 2)U 0、C 0即開關(guān)管上電壓為U IN+(N 1/N 2)U 0,均保持不變,到t 3時刻,L 1中能量釋放完畢。

    (4)t 3~t 4階段。

    開關(guān)管完全截止,C 2電壓、C 0電壓(即開關(guān)管電壓)繼續(xù)保持不變。

    (5)t 4~t 5階段。

    t 4時刻功率管導通,其電壓U S開始下降,C 0開始通過開關(guān)管放電,并很快放完畢(全部損耗在功率管上);C 2和L 1開始諧振,即把C 2中的能量轉(zhuǎn)移到L 1中,在t 5時刻L 1中電流達到最大值,功率管完全導通。

    (6)t 5~t 6階段。

    t 5時刻L 1通過VD1和VD2給輸入電容C 1回饋能量,并給C 2充電到-U IN,到t 6時刻L 1中能量釋放完畢。

    (7)t 6~t 7階段。

    該階段功率管繼續(xù)處于完全導通狀態(tài)。

    以上過程形成一個完整工作周期,可以看出,變壓器漏感中的能量大部分被回饋到輸入電容C 1中(C 0中有部分能量被消耗掉),所以電源效率得到提高。

    主要器件電壓電流應力計算

    由圖3及原理分析,可得到如下計算公式:
    公式一
    其中:U SMAX即U C0MAX為功率管VT1~VT4所承受的最大電壓應力;
    U INMIN為輸入電壓最小值(取21V);
    U 0為輸出電壓(取350V);
    N 1、N 2為變壓器初次級匝數(shù)(取15匝和117匝);
    △U C2由漏感引起的尖峰電壓;
    I PK為漏感即初級峰值電流;
    L K為初級漏感(取0.4μH);
    C 2為外接電容(取30000pF);
    C 0為VT1~VT4輸出電容之和(取4000pF);
    I PAV為功率管導通期間總電流平均值;
    η為電源效率(取92%);
    D MAX為最大占空比(取0.7);
    △I p為開關(guān)管導通期電流變化量;
    t ONMAX為開關(guān)管最大導通時間(取23μs);
    L為變壓器初級電感值(取38μH);
    I L1MAX為L 1(取0.5mH)中通過的最大電流;
    P LK為漏感回饋到輸入端的能量;
    f為功率管開關(guān)頻率(取30kHz)。

    由以上(1)~(6)式推導和化簡,可得出下式:

    公式二

    [page]
    由(7)~(11)式可計算出功率管、電感L 1所承受的電流電壓應力(輸出功率550W時)以及反峰吸收電路回饋到輸入端的能量:
    I PK=47A
    U SMAX=188V
    I L1MAX=1.5A
    P LK=13.25W

    同時由(7)~(11)式還可以看出:

    (1)若要減小開關(guān)管電流應力I PK,則應增加占空比D和變壓器初級電感量L ;

    (2)若要減小開關(guān)管電壓應力U SMAX,則應減小變壓器初級漏感L K,同時增加C 2值(C 0的值由功率管參數(shù)決定);

    (3)若要減小電感L 1中最大電流I L1MAX,則應增大電感L 1的電感量;(4)采用反峰吸收電路后,節(jié)省能量13.25W,可提高電源效率約2個百分點。

    由以上計算可知,4只功率管額定電流至少應大于50A,考慮到功率管參數(shù)的差異性,其導通電流不完全相等,并且一般要留一定的安全裕量,所以,實際應用每只功率管額定電流值應大于50A,通態(tài)電阻愈小愈好,而耐壓最好大于250V。

    根據(jù)如下公式,可出計算出二極管VD0所承受的電壓應力U D0、電流應力I SK:
    由U DO=U 0+U INMAXN 2/N 1 (12)
    得:U DO=584V
    由I PKN 1=I SKN 2 (13)
    得:I SK=6A
    其中:I SK為次級峰值電流值。

    一般要留一定的安全裕量,所以,而選用二極管額定電壓應大于800V,額定電流應大于20A(考慮到過流、短路等因素)。

    兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

    若要增加輸出功率,采用如圖5并聯(lián)結(jié)構(gòu),該電路結(jié)構(gòu)可輸出功率約1.1kW,用一只SG3525控制即可。

    兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)
    圖5:兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

    試驗結(jié)果

    由兩路單端反激并聯(lián)組成的逆變電源前級DC/DC電路(見圖5),輸出功率約1.1kW,試驗結(jié)果如表1所示。

    前級DC/DC試驗結(jié)果
    表1:前級DC/DC試驗結(jié)果

    由上述DC/DC電路組成的1kVA逆變電源,輸出AC220V50Hz正弦波,試驗結(jié)果如表2所示,該電源體積320×200×60mm3。

    1kVA逆變電源試驗結(jié)果
    表2:1kVA逆變電源試驗結(jié)果

    結(jié)束語

    綜上所述,對于電池(或發(fā)電機)供電的低壓輸入逆變電源,采用單端反激多管并聯(lián)以及能量回饋技術(shù)實現(xiàn)的前級DC/DC,和采用其它形式實現(xiàn)的前級DC/DC相比,具有電路簡單、控制方便、效率高、體積小和可靠性高等特點。
     

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