有源钳位反激变换器在UPS充电器中的设计与应用

杨银平

(CETC38所安徽博微智能电气有限公司 电力电子事业部, 安徽 合肥 230088)

0 引言

反激变换器具有宽范围电压输入，易于实现多路输出、体积小、成本低、电路结构简单、可靠性高等特点，被广泛应用于中小功率等场合[1-2]，如电源适配器、模块电源等。在不间断电源(Uninterruptible Power Supply)的设计中，电池是UPS电源的必不可少的一部分，是保障UPS断电后能正常工作的能量来源。因此，电池充电器是UPS电源不间断的重要部件之一，电池充电器既要满足电池的充电要求，又要满足输入、输出隔离的要求。在中小功率的UPS设计中，如采用反激电路设计，虽然能满足输入、输出电气隔离要求，但是反激变换器转换效率低，在中功率充电器设计中，热损耗较大，不利于系统的长期、稳定运行；反激变换器在开关管关断时，会产生很大的电压尖峰，使开关管漏源两端承受较高的电压应力，甚至导致开关管被击穿[3-4]，本文提出基于有源钳位的反激变换器(Active-clamp Flyback)设计，能有效改善反激开关管电压应力高和变换器效率低的问题。

1 有源钳位反激变换器拓扑结构

有源钳位的反激变换器(Active-clamp Flyback)电路拓扑[5-7]如图1 所示。图中，反激变换器的变压器等效于励磁电感和漏感(Lr是变压器的漏感折算到原边的感量)，开关管S1、S2是集成有体二极管的开关管，Cr是开关管S1、S2的结电容，Cr和Lr谐振使得开关管S1可以实现ZVS。由于有源钳位[8-11]电路的存在，晶体管的关断尖峰电压被钳位，变压器的漏感电压可以再利用，因此主开关管S1和辅助开关管S2均可以实现零电压开关(Zero-voltage-switching)。相对于传统反激电路，有源钳位的反激变换器(Active-clamp flyback)开关管的零电压开通的代价是开关状态过程和控制电路更复杂。

图1 有源钳位反激变换器原理图Fig.1 Schematic circuit of active clamp flyback converter

图2为有源钳位反激的拓扑开关模态,图3是有源反激变换器的关键波形。为了描述各开关模态的工作过程,做出如下假设:

所有开关器件均为理想器件;

励磁电流一直为非零并且为正(电流正方向定义如图1);

Lr≪Lm其中，Lr变压器励磁电感,Lr典型值为Lm的5%～10%;

Lr储存的能量足够支撑Cr的放电时间和S1体二极管的导通时间;

(1)

Lr和Cclamp的谐振时间远远大于S1的关断时间(Toff≅(1-D)TS),各开关模态的工作状况如下:

t0-t1: 在t0时刻,开关管S1闭合,辅助开关管S2关断。整流二极管D1和S2并联的体二极管反向偏置,励磁电感(和谐振电感)和“普通”的反激变换器一样处于线性充电阶段。

t1-t2:在t1时刻,开关管S1关断,励磁电流对Cr充电(励磁电流等于谐振电感电流,Cr以谐振方式充电,但是充电时间非常短暂,导致近似于线性充电特征)。

t2-t3:在t2时刻,Cr充电到开关管S2体二极管开始导通的点(VDS=Vin+Vc), 钳位电容将Lr和励磁电感Lm之间的电压钳位到Vc(VDS≅NVo),Vc是由两个电感之间的分压组成。因为Cclamp远大于Cr,将近所有的励磁电流通过S2体二极管给钳位电容充电。结果,由于Vc增加,励磁电感两端电压降为零,电压分布如公式2。

(2)

t3-t4:在t3时刻,Vpri电压下降到副边变压器两端电压足以导通D1。此时变压器原边的电压由于输出电容的钳位,钳位在NVO。Lr和Cclamp开始谐振。为了S2能实现零电压开通(ZVS),S2必须在iCclamp电流反向前开通。

t4-t5:在t4时刻,辅助开关管S2关断,Cclamp谐振结束,谐振电感和MOSFETS1的结电容构成新的谐振网络,由于Cr放电,变压器原边电压仍然被钳位在NVO。

t5-t6:假设Lr中储存的能量远远大于Cr中储存的能量,在t5时刻,Cr被完全放电导致S1的体二极管开始导通。谐振电感两端的电压被钳位在Vin+NVO,副边整流二极管的电流下降斜率为:

(3)

因为Lm≫Lr公式3简化为:

(4)

在这一阶段,开关管S1可以实现零电压开通。

t6-t7:开关管S1开通,随着谐振电感电流的增加,副边二极管电流在减小。在t7时刻,副边二极管电流减小到零(因为谐振电感电流和励磁电感电流相等),此时,二极管D1反向偏置,变压器原边两端电压反向,励磁电感和谐振电感开始线性充电,开始了新的开关周期(t7=t0)。

为了更清楚地展示开关时序，图中t1-t3和t4-t7时间间隔被放大。

(g)t6-t7图2 有源钳位反激拓扑的开关模态图Fig.2 Switching mode of active clamp flyback topology

图3 有源反激变换器的关键波形Fig.3 Key waveforms of active flyback converter

2 试验结果

实验中,市电输入176 V-264 V交流电,充电器输出电压260 V,充电电流2 A,开关频率70 kHz,变压器原边电感量66 μH,原边匝数13匝,副边匝数19匝,选用东磁EE55磁芯一副。开关管S1的ZVS波形如图4、图5所示,开关管S1、S2实现零电压开通(ZVS)。

图4 开关管S1的ZVS波形Fig.4 ZVS waveform of switch S1

图5 开关管S2的ZVS波形Fig.5 ZVS waveform of switch S2

相同试验条件下,有源钳位反激变换器和反激变换器的测试效率数据如表1和表2所示。额定220 V输入条件下,不同负载下效率测试数据如下,从数据中可以明显看出,有源钳位反激变换器的功率因数和效率指标高于反激变换器。

表1 有源钳位反激效率测试数据Table 1 Efficiency data of active clamp flyback

表2 反激变换器效率测试数据Table 2 Efficiency data of active clamp flyback

从图7可以看出，有源钳位反激变换器在负载较轻的条件下,效率明显高于反激变换器；在满载条件下,反激变换器的效率略低于有源钳位反激变换器。由于在轻载条件下,开关管的开关损耗对效率影响占据比重较大,有源钳位反激变换器开关管能实现ZVS,大大减小了开关损耗,所以效率明显高于反激变换器。

图6 ACF和Flyback效率比较Fig.6 Efficiency comparison between ACF and flyback

3 结论

分析有源钳位反激变换器的工作原理,有源钳位反激变换器(ACF)开关管实现ZVS,效率高于普通的反激变换器;在中小功率的不间断电源(UPS)的充电器设计中,有源钳位反激变换器(ACF)以效率高、热损耗小、电路简单可靠而广泛应用于中小功率UPS的充电器设计中;有源钳位反激变换器具有功率开关管电压应力小、功率开关管实现ZVS、降低了副边整流二极管反向恢复引起的关断损耗和开关噪声等优点,在中小功率隔离变换中应用广泛。