基于反激變換器的漏感能量回收方法

蘇 通, 張方華, 馬 超, 任永宏

(江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室， 南京航空航天大學, 江蘇 南京 210016)

基于反激變換器的漏感能量回收方法

蘇 通, 張方華, 馬 超, 任永宏

(江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室， 南京航空航天大學, 江蘇 南京 210016)

反激變壓器原邊漏感的存在增加了功率器件的電壓應力，并降低了變換器的變換效率。本文研究了一種新穎的變壓器漏感能量吸收電路，實現了漏感能量的回收和利用。論文采用的吸收電路為反激電路，它能將主電路變壓器漏感能量直接釋放到輸出側供給負載。同時吸收電路采用電壓滯環控制，工作頻率由漏感能量決定，當主電路的功率降低時吸收電路的工作頻率也會隨之降低，變換器輕載效率高。詳細分析了吸收電路的工作原理，給出了參數設計方法，研制了兩路交錯并聯反激變換器的實驗樣機，實驗結果證明了所提出方法的有效性。

反激變換器； 漏感能量回收； 滯環控制; 吸收電路設計

1 引言

反激變換器由于其電路拓撲簡單而被廣泛應用在中小功率場合[1]，在電路中反激變壓器起到電氣隔離和儲存能量的作用。由于反激變壓器存在較大的漏感，在開關管關斷時刻，漏感能量會造成開關管上很高的電壓尖峰；同時，漏感的存在使得工作在CCM模式下的變換器很難取得較高的變換效率。

為了減小反激變壓器漏感對主電路的影響，通常采用鉗位電路對漏感能量進行回收和利用。常用的鉗位電路可分為無源鉗位[2]和有源鉗位[3]兩類。無源鉗位包括RCD鉗位等，其優點是電路結構簡單、成本低，缺點是電壓尖峰的抑制效果差、電路損耗大。有源鉗位抑制效果好，但是有源鉗位存在以下三個方面的問題：①吸收電路和主電路具有相同的工作頻率，因此在輕載時吸收電路自身的損耗在電路總損耗中占了很大一部分；②在重載時以諧振方式工作的吸收電路將流過很大的諧振電流，造成較大的損耗；③每一主電路都需要一套獨立的有源鉗位電路，當主電路采用多路交錯并聯技術時會提高電路的成本。

為了解決上述問題，本文提出了一種新穎有源吸收方式，吸收電路斬波工作，工作頻率由主電路的功率決定，當主電路的功率降低時吸收電路的工作頻率也會隨之降低，這樣可實現變換器較高的效率。

2 吸收電路的拓撲和控制方式

2.1 吸收電路的拓撲

圖1為本文所提的反激變換器漏感能量有源吸收的原理圖。其中吸收電路是由變壓器Ta、開關管Sa和二極管Da構成的反激電路，主電路則是兩路交錯并聯的高升壓比反激變換器[4,5]。

圖1 漏感能量有源吸收電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of leakage inductance energy active absorption circuit

2.2 控制方式

吸收電路采用電壓滯環控制，設鉗位電容電壓的滯環上下限分別為UTH和UTL。圖2為吸收電路的控制流程圖。在主電路開關管S1(S2)關斷時刻，主電路變壓器漏感和開關管漏源極結電容發生諧振，漏源極結電容電壓不斷升高，當上升到鉗位電容電壓滯環下限UTL時，二極管Da1(Da2)導通，漏感能量傳遞到鉗位電容C上，鉗位電容電壓不斷上升，當鉗位電容電壓達到UTH，開通吸收電路開關管Sa，儲存在鉗位電容上的漏感能量通過吸收電路釋放到主電路的輸出側供給負載，實現了漏感能量的回收利用。當鉗位電容電壓隨著放電過程降低到UTL時，關閉吸收電路開關管。電壓滯環控制直接控制鉗位電容電壓，能夠維持鉗位電容電壓在一定的范圍內基本恒定，對主電路開關管的電壓尖峰起到抑制作用。滯環電壓的下限應該大于主電路輸入電壓和輸出反射電壓之和，否則主電感中的部分能量將傳遞到鉗位電容上?？紤]到鉗位電容電壓對開關管電壓應力的影響，滯環上下限和環寬也不宜取得過大。本文選取滯環上限為75V，下限為70V。

圖2 吸收電路電壓滯環控制框圖Fig.2 Voltage hysteresis loop control of absorption circuit

3 吸收電路設計

3.1 吸收電路的等效

吸收電路的等效電路如圖3所示。圖3(a)為開關管開通時的等效電路，它可以看成是一個由鉗位電容C和吸收電路勵磁電感La組成的串聯諧振電路，鉗位電容上的初始電壓是滯環上限UTH，勵磁電感上的初始電流為零。根據該串聯諧振回路可以計算鉗位電容電壓UC、勵磁電感電流iLa以及鉗位電容放電時間t2：

(1)

(2)

(3)

圖3 吸收電路工作等效電路Fig.3 Equivalent circuit of absorption circuit

圖4為主電路開關管驅動時序圖，兩個驅動的下降沿始終相差1/2個開關周期，一次驅動的下降沿意味著一次漏感能量的吸收。吸收電路驅動的具體頻率與主電路功率和吸收電路參數設計有關。為了便于吸收電路變壓器的優化設計，人為地將鉗位電容放電時間t2限制在兩次下降沿之間，即

(4)

式中，Ts為主電路的開關周期。這樣在吸收電路工作時不會有新的漏感能量導入，變壓器每次處理的能量為定值，簡化了吸收電路的工作過程和變壓器的設計。

圖4 兩路交錯并聯反激變換器驅動波形Fig.4 Driving waveforms of dual interleaved flyback converter

由于吸收電路導通時間t2(即鉗位電容放電時間)選為定值，因此吸收電路可以等效為輸入電壓在UTH～UTL范圍內，輸出電壓為Uo(主電路的輸出電壓)的固定導通時間的反激變換器，其工作于DCM模式，功率隨主電路的功率減小而減小，其表達式為：

(5)

式中，Lk為主電路漏感；ipk為主電路單路漏感峰值電流；fs為主電路工作頻率。因此吸收電路的工作頻率隨著主電路功率的減小而降低。

3.2 吸收電路參數設計

增加吸收電路的目的是通過對主電路漏感能量進行回收和利用來提高變換器的效率，因此吸收電路的參數將按照效率最優的原則來設計。吸收電路的損耗主要包括：①原邊功率管的驅動損耗、開關損耗和導通損耗；②副邊二極管的導通損耗和反向恢復損耗；③原副邊的繞組損耗和磁心損耗。從能量守恒的角度來看，有以下關系成立：

(6)

(7)

由此可以計算出吸收電路勵磁電流的峰值和有效值分別為：

副邊電流峰值為：

(10)

式中，NaP、NaS分別為吸收電路原副邊的匝數。副邊電流在輸出電壓的作用下線性下降，可以求出下降時間taoff為：

(11)

則副邊電流的有效值和平均值為：

(12)

以主電路1.5倍過載時吸收電路處理的功率為標準，參照同等功率等級的反激變換器估算其他相關參數，在此基礎上可以計算得到以n為自變量的吸收電路損耗函數[6]。使用計算工具MATHCAD14.0畫出該函數的曲線圖，如圖5所示?？梢钥闯?，該函數并不是單調的，電路的損耗會隨著n的增加先減小后增大，所以存在一個n值能夠使得電路的損耗取到最小值。利用函數求最小值指令Minimize(P，n)可以求得n=2.117，對應的電路最小損耗為4.808W，當取n=2時勵磁電流峰值為8.84A。根據式(6)可以算出鉗位電容為1.2μF，吸收電路勵磁電感為15μH。

圖5 吸收電路總損耗隨n的變化曲線Fig.5 Curve of total loss of auxiliary circuit with n

4 實驗結果分析

對兩路交錯并聯倍壓輸出反激變換器進行了詳細的設計，變換器額定輸出功率500W，輸入電壓28V，輸出電壓180V，開關頻率120kHz。各電路具體設計參數如下：主電路變壓器采用PQ35/35的磁心繞制，原邊7匝，副邊21匝，實測勵磁電感14μH，原邊漏感280nH。原邊功率管采用英飛凌公司的IPP200N25N3G，兩個輸出二極管采用ST公司的STTH1003S-Y。副邊諧振電容為1μF，輸出電容為60μF，采用多個陶瓷電容并聯。用于吸收主電路漏感的鉗位電容為1.36μF，吸收電路的變壓器采用PQ20/16的磁心繞制，勵磁電感為15.17μH。

圖6 實驗波形Fig.6 Experimental waveforms

圖6(a)為單路2/3額定負載(160W)時鉗位電容電壓和驅動波形，圖6(b)為單路滿載(250W)時鉗位電容電壓和驅動波形。本文設計的吸收電路在主電路1.5倍過載時的開關頻率為主電路的1/2(取n=2)，即60kHz。根據式(7)和式(8)可知，吸收電路的開關頻率和主電路峰值電流的平方成正比，在輸入電壓不變的情況下，吸收電路開關頻率和主電路功率的平方成正比。據此計算，在單路2/3額定負載(160W)和額定單路滿載(250W)情況下，吸收電路的開關頻率分別為6.02kHz和13.3kHz。從實驗波形可以得到吸收電路的實際開關頻率分別為6.025kHz和11.1kHz，實驗結果和理論分析比較吻合。從實驗結果可以看出鉗位電容上的電壓最大值為78V，最小值為68V，與設計的電壓滯環上下限值相吻合。隨著主電路功率從250W減小到160W，吸收電路工作頻率從11.1kHz降低到6.025kHz，吸收電路的工作頻率隨主電路功率的降低自動減小，這與理論分析一致，驗證了理論分析的正確性。

根據式(6)和實驗測得的鉗位電容滯環上下限值，可以計算出吸收電路開關管開通一次處理的能量為8.7×10-4J，則2/3負載和滿載下吸收電路處理的功率為5.9W和11W，實現了對漏感能量的回收和利用。由于吸收電路采用滯環控制，控制簡單，控制和驅動電路體積很小，因此吸收電路的體積主要由吸收電路的變壓器決定，本實驗采用PQ20/16磁心，尺寸為20.5×14×16(單位：mm)。在整個變換器電路中所占比重很小。

增加了吸收電路后，主電路開關管漏源極之間電壓被鉗位在150V以下，對電壓尖峰起到了較好的抑制作用。

圖7給出了不同負載下采用本文所提吸收電路的兩路交錯并聯反激變換器的效率曲線，同時給出了相同負載下RCD鉗位電路的效率作為對比。

圖7 效率曲線Fig.7 Efficiency curves

5 結論

本文研究了一種基于反激變換器的漏感能量回收電路。該電路采用電壓滯環控制，控制方式簡單，只需一個遲滯比較器，無需設計PI閉環參數。在該控制方式下，吸收電路每次傳輸的能量相同，便于吸收電路變壓器的優化設計；吸收電路工作頻率隨著主電路功率的減小而自動降低，在主電路輕載情況下能夠減小吸收電路的開關損耗，實現主電路輕載下較高的變換效率。該漏感吸收電路同時對主電路開關管電壓尖峰起到了較好的抑制作用。通過500W兩路交錯并聯反激變換器進行了實驗驗證，帶有本文所提吸收電路的反激變換器取得了滿載94%的變換效率。

[1] 王勤，張杰，阮新波，等 (Wang Qin, Zhang Jie, Ruan Xinbo, et al.)．一種新型雙輸入反激 DC/DC 變換器 (A new double-input flyback DC/DC converter) [J]．電工技術學報 (Transactions of China Electrotechnical Society)， 2011，26(2)：115-122．

[2] 劉樹林，曹曉生，馬一博 (Liu Shulin, Cao Xiaosheng, Ma Yibo)．RCD 鉗位反激變換器的回饋能耗分析及設計考慮 (Design and analysis on feedback energy loss of RCD clamping flyback converters) [J]．中國電機工程學報 (Proceedings of the CSEE)，2010，30(33)：9-15．

[3] Xiucheng Huang, Weijing Du, Wei Yuan．A high efficiency flyback converter with new active clamp technique [A]．2010 Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) [C]. 2010. 823-828．

[4] Woo Young Choi, Jih Sheng Lai．High-efficiency grid-connected photovoltaic module integrated converter system with high-speed communication interfaces for small-scale distribution power generation [J]. Solar Energy，2010, 84(4): 636-649．

[5] 毛春風，陳為，盧增藝 (Mao Chunfeng, Chen Wei, Lu Zengyi)．交錯并聯磁集成反激變換器小信號建模分析(Small signal analysis of interleaved flyback converter with magnetic integration) [J]．電工電能新技術(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2011，30(4)：26-29．

[6] 袁偉 (Yuan Wei)．斷續模式反激變換器的優化設計(Optimal design of DCM flyback converter) [D]．杭州:浙江大學 (Hangzhou: Zhejiang University), 2010．

Method of leakage inductance energy recovery based on flyback converter

SU Tong, ZHANG Fang-hua, MA Chao, REN Yong-hong

(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)

The existence of the leakage inductance of the flyback transformer primary side increases the voltage stress of power device and reduces the reliability of the circuit. Due to the leakage of energy cannot be delivered to the load, the efficiency of converter is reduced. This paper proposes a novel leakage-inductance energy recovery circuit by adding a flyback circuit as the auxiliary circuit which realizes the recycle and utilization of the leakage inductance energy. It can directly release the leakage inductance energy into the output. Auxiliary circuit uses the voltage hysteresis control, and the operating frequency is determined by the energy of the leakage inductance. When the main circuit power is reduced, the operating frequency of the auxiliary circuit will decrease accordingly.The working principle and parameter design of auxiliary circuits are analyzed in detail. Based on this, dual interleaved flyback converter was completed, and experimental results show that the proposed method is useful.

flyback converter; leakage-inductance energy recycle; hysteresis control; design of absorption circuit

2015-08-05

蘇 通(1991-)， 男， 江蘇籍， 碩士研究生， 研究方向為功率電子變換技術； 張方華(1976-)， 男， 山東籍， 教授， 博士生導師， 研究方向為航空電源、 照明電源和新能源發電系統。

TM46

A

1003-3076(2016)06-0013-05