基于准谐振技术的宽输入电压范围双管反激电源设计

张志远

（91404部队，河北秦皇岛，066000）

0 引言

双管反激变换器因其拓扑结构简单、适用于输入电压范围宽、可隔离输出低电压、常常作为较理想的光伏发电系统辅助电源。在光伏并网逆变器系统中，接入的太阳能电池板阵列的输出电压范围是直流200-1000V，当采用单端反激变换器拓扑时，单个开关管将承受很高的输入电压，因此开关管容易被击穿损坏。采用的开关管的耐压值越高，其效率和可靠性就越低，为增加可靠性会导致结构设计复杂，成本增高。本文采用了准谐振技术，依靠双管反激的设计思路，利用原边励磁电感和开关管内部输出电容及电路中的其它杂散电容产生谐振，通过L6565D芯片的控制实现零电压导通和低电压导通的软开关技术。有效地减少了开关管的导通损耗，提高了变换器的效率，实现了后级稳定的输出。

1 电路拓扑结构及其工作过程

图1为双管反激式变换器电路原理，开关管Q1和Q2同时导通和关断，电路的工作模式为：导通状态（Q1和Q2同时导通）原边电流增加，变压器储能，由于输出回路的高频整流管D3和D4反向截止，能量无法传递到副边；关断状态（Q1和Q2同时关断）根据Lenz’s定律，变压器原边电感感生电势反向，输出回路的高频整流管正向导通。同时，初级侧漏感中的能量通过两个钳位二极管D1和D2回馈至电容C1和C2。此时，两个开关管承受的电压就是输入电压Vdc和反射电压之和。在理想的情况下，加载在Q1和Q2上的电压相等且均小于输入电压，但实际上，由于开关管生产工艺差别以及电路其它寄生参数的影响，两个开关管不可能同时导通和关断，因此二者所承受的电压也并不完全相等。在电路设计中通常通过以下几种方法来解决实际电路中开关管分压不均问题：1、两开关管驱动线路的PCB走线长度和形状尽量保持一致，同时栅源极的驱动引线尽可能并行走线；2、驱动电阻选择±0.5%精度，以减少驱动信号误差。3、采用三明治绕法使驱动变压器的两路输出绕组尽可能与原边绕组耦合一致；4、利用双脉冲测试平台测量实际的MOS管内的栅源电容，筛选性能和参数尽量一致的MOS管。双管反激变换器工作模式具体见图2。

图1 双管反激电路

2 反激式准谐振变换器原理

准谐振反激变换器和传统的反激变换器最大的不同之处就是开关管的导通时刻不同。反激变换器是一种硬开关型电路，无论其工作在断续模式还是连续模式下，开关管在震荡波形较高的一个电压平台处导通，因此开关管的开通损耗和关断损耗较大，因此传统反激变换器的效率较低。本文设计的准谐振变换器可通过L6565D检测变压器磁复位状态，控制开关管在震荡电压的谷底处导通，实现了准软开关功能。由于在低电压处导通，使得开关损耗大大降低，工作效率提高，辐射噪声改善。为了使双管反激变换器工作在准谐振模式，要求变换器工作在DCM模式。由于开关频率是变化的，这要求我们在设计准谐振变压器的时候，要低压满载以fs-min固定频率设计在DCM模式，这样能保证电压升高导致频率发生变化时，变换器仍然可以工作在DCM模式。在设计反馈环路中，由于DCM模式下不存在右半平面零点问题，因此调节环路可较为稳定的工作，保证了输出电压的稳定性。

图2 双管反激变换器工作模式

3 控制器的选择

为了实现f lyback的QR工作模式采用L6565D控制芯片，这是一款基于变频技术控制的IC，该芯片自带电压前馈功能。相比于常规的定频控制IC（如3843、3845等）该芯片可以根据输入电压的变化自动调节内部的限流电压Vcs，从而也改变了芯片的工作频率。而定频控制的IC，功率一定的条件下，当输入电压大幅度变化时，原边电流变化也较大，限流电阻的阻值不容易选取，电流采样精度也不高。根据L6565D技术手册中的Vcx跟随输入电压变化而变化的参数曲线。参考本文输入电压范围是DC200V-1000V，计算出前馈电阻取分压比1/400即VFF电压范围是0.5V-2.5V；根据设计的原边峰值电流的大小，选择一条合适的曲线便可计算出限流电阻大小。

4 实验结果

电源工作环境及相关参数为：输入范围：DC200-1000V；输出电压：±12V；功率：18W；频率范围：70KHz-240KHz；原边感量：3.5mH；预设效率：88%。

在设计该变压器的时候需要注意一个重要参数，就是考虑到L6565D芯片3.5us的消隐时间，因此在设计变压器时其关断时间一定要大于3.5us，否则该芯片ZCD引脚容易判断错误，其开关管导通时刻提前到谷底出现前的高电压处，实现不了准软开关的功能。

仿真结果表明，输入电压200V时，为低压带满载的条件下，占空比较大接近45%，同时开关频率在75kHz左右，Vds波形接近零电压导通。输入电压600V时，在高压下变压器原边电流较小，使得占空比很窄。由于变压器的匝数比n一定，反射电压Vor=n*Vo也就为定值，从而发生谐振的第一个谷底电压就会抬升，因此，在输入高压下开关管的开关损耗明显要比低压下大。输入电压1000V时没有实现第一个谷底导通，是因为1000V输入条件下带载18W相对来说是轻载，变压器的关断时间无法保证大于芯片3.5us的消隐时间导致的。对比发现准谐振技术无法保证全电压、全功率范围内实现。同时分别仿真了L6565芯片和UC3843芯片在相同输入电压、相同负载条件下的效率，结果表明，用准谐振软开关的效率明显要高于硬开关的效率。当输入电压很高时，二者的效率几乎一致，进一步表明在高压时开关管并没有实现第一个谷底导通，因此准谐振软开关技术在宽电压范围的低端效率较高，高端效果不明显。

[1]高滨,陈坤鹏,夏东伟，等.一种应用于光伏系统的反激辅助电源设计[J].电源学报，2015，13（4）：120-123.

[2]汪洋,林海青,常越.反激式准谐振开关电源工作频率确定及电源研制[J].电力电子技术,2005,39（3）：92-94.