双管反激变换器适用于高电压宽输入场合的原理.doc
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1、双管反激变换器适用于高电压宽输入场合的原理摘要:根据高电压宽输入电力电子变换器的供电需求,设计了一种双管反激辅助电源。分析了双管反激变换器的工作原理;针对宽输入电压范围带来的电流环次谐波振荡问题,设计了斜坡补偿电路;提出了一种电流控制型双管反激变换器的低损耗启动电路。实验证明所设计的高电压宽输入双管反激辅助电源有效可行。0 引言各种电力电子变换器系统离不开集成芯片与功率开关,因而需要辅助电源为其中的控制电路、驱动电路、调理与采样电路以及传感器等提供+5 V、15 V等各种等级的辅助工作电压,辅助电源已成为电力电子变换器的重要组成部分。辅助电源的输入由电力电子变换器母线电压提供,为了保证电力电子
2、变换器的稳定运行,不论母线电压如何变化,辅助电源均要稳定工作,即辅助电源应能在高电压和宽输入范围内输出稳定的电压,保证电力电子变换器的正常工作。文献1中辅助电源使用LLC谐振变换器拓扑,该拓扑对谐振参数较为敏感,且仅在谐振点附近效率较高,不适合应用于宽电压输入场合。相比其他拓扑,反激变换器结构简单、体积小、占空比变化范围宽,是辅助电源的理想选择。文献2-4中高电压宽输入辅助电源均采用了单端反激拓扑结构,但单端反激变换器开关管关断时承受的电压等于最大直流输入电压、副边折射电压以及漏感尖峰电压之和,在高输入电压时开关管电压应力很大,导致开关管成本大大增加。文献5采用两个反激变换器串联来解决单管电压
3、应力大的问题,但是需要额外增加两串变压器绕组,这增加了变压器体积,产生的损耗也是单管反激变换器的两倍,随着风力发电与光伏发电等高电压宽输入电力电子变换器应用范围的不断扩大,急需研发与高电压宽输入电力电子变换场合相适应的辅助电源。双管反激电路开关管所承受的电压应力仅为直流输入电压,开关管关断时的漏感能量通过二极管回馈到直流输入电源,不需加入RCD吸收电路,是高电压宽输入辅助电源的理想选择6,本文对此进行研究与设计。1 双管反激变换器工作原理分析双管反激拓扑如图1所示,其中S1、S2为功率开关管,D1、D2为输入端二极管,D3是输出端二极管,C为输出滤波电容,R为输出负载,Lm为原边绕组励磁电感,
4、L1为原边绕组漏感,N1为原边线圈匝数,N2为副边线圈匝数;Ubus为输入电压,Uo为输出电压,iL1为原边线圈电流,iL2为副边线圈电流,iD为二极管D1、D2的续流电流。反激变换器有连续工作模式(Continous Conduction Mode,CCM)和断续工作模式(Discontinous Conducion Mode,DCM)两种工作模式。与CCM相比, DCM的主要优点为:(1)可以降低磁芯尺寸,提高磁芯利用率,减小系统体积。(2)副边整流二极管关断时电流应力很小。因为在开关管下一次导通之前,二极管D3已经完全关断,所以DCM模式无副边二极管反向恢复带来的问题,在宽输入电压中的高
5、压场合,这种优势更加明显,因此本文设计的双管反激辅助电源主要工作在DCM下。图2为双管反激变换器在DCM模式的工作波形,具有如下四个工作模态:模态1(t0t1):t0时刻,开关管S1、S2同时开通,电力电子变换器系统提供的直流输入电源Ubus为变压器原边励磁电感Lm和漏电感L1提供能量,原边电感电流以斜率diL1/dt=Ubus/(Lm+L1)线性上升。二极管D1、D2处于截止关断状态。副边电感电压下正上负,二极管D3反向截止,副边无电流流通,负载由电容提供能量。模态2(t1t2):t1时刻S1、S2同时关断,漏感电流开始下降,原边电感两端电压反向,使得二极管D1、D2立刻导通,钳制了由于漏感
6、所引起的原边绕组感应电势,使之钳位在输入电压Ubus,将多余的能量反馈给输入电源,开关管S1、S2所承受的反向电压均为Ubus,此时副边电感向电容充电,同时也给负载提供能量。模态3(t2t3):t2时刻原边电感电流值iL1下降到零,励磁电感向副边电感传输能量完毕,钳位二极管D1、D2关断,iD降为零,iL2达到最大值,开关管S1、S2两端电压下降至Ubus+(N1/N2)Uo/2。此时,由副边电感向电容和负载提供能量。模态4(t3t4):t3时刻副边电感放电结束,副边电感电流iL2为零,由副边电感产生的折射电压变为0 V,此时原边开关承受的电压为Ubus/2。当到达t4时刻新的工作周期开始。从
7、上述工作模态分析可见,双管反激变换器开关管最高电压应力仅为直流输入电压Ubus,远小于单管反激变换器开关管的电压应力,可见双管反激变换器适用于高电压宽输入场合。2 电流控制型双管反激变换器的稳定性分析2.1 电流型PWM控制原理双管反激辅助电源采用电流型PWM控制,其控制原理图如图3所示。设基准电压为Uref,输出电压为Uo,采样电阻电压Us,直流输入电压为Ubus,Rs为采样电阻。电流型PWM控制电路以电压Uo为外环控制,将电路输出电压Uo与基准电压Uref经过误差放大器得到电压Ue,通过采样电阻Rs输出的电感电流采样信号Us作为电流内环,电感电流采样信号Us与误差放大器的输出信号Ue进行比
8、较,当Us的值达到Ue时,脉宽比较器状态翻转,锁存器复位,PWM置低电平,功率管截止,实现对输出脉冲占空比的控制。由于引入了电流反馈,电流型PWM控制使系统的性能具有下列优点:(1)具有良好的线性调整率;(2)具有快速的输入输出动态响应;(3)能够有更强的负载电流调整能力。但电流型PWM控制由于电流环的引入,也带来了问题。2.2 电流型PWM控制存在的问题由于电流环的引入,电路容易引起次谐波振荡问题。对于一些供电不稳定的电力电子变换器系统,如光伏发电和风力发电等系统,这些系统受环境影响较大,辅助电源直流输入电压会突然发生较大波动,导致辅助电源的占空比突然发生变化,电路更加会产生次谐波振荡问题7
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