反激输出二极管两端电压与输入电流振荡分析

反激输出二极管两端电压与输入电流振荡分析
张卫平 1 崔赛华 1 毛鹏2
1)北方工业大学机电工程学院北京1001442)北方工业大学信息工程学院北京100144
摘要Flyback 变换器的变压器漏感与输出整流二极管的反向恢复时间和其结电容对变压器原边输入电流有一定的影响，且影响自身的反向电压。

通过详细的理论模型的建立和数学推导，找出其间的关系，并通过MATLAB 数据分析得出结论，并通过制作100W 样机进行验证，对开关管的选择具有一定的工程应用价值，也对系统的理论分析提供了一个方向。

关键词Flyback 漏感，整流二极管结电容，反向恢复时间，输入电流，反向电压
1．引言
在中小功率应用场合，Flyback 变换器因结构简单，具有电气隔离，电压调节范围宽等优点而受到广泛应用[1-6]。

但是其输入电流和输出二极管两端电压会存在很大的尖峰和振荡问题，本文中使用的交错Flyback 微型逆变器，其主要特点是输入电压低，输入电流大，输出电压高；在这种情况下，其尖峰和振荡尤为突出，影响系统的整体效率和开关管的寿命，并且还会产生电磁干扰[7-10]。

通过建立电路模型分析变压器漏感与输出二极管参数对其的影响，并通过数据分析和实验加以验证。

2．模型的建立与分析
2.1 电路模型的建立
反激变换器的模型如图1 所示。

图1 反激变换器模型
二极管在电路中的等效电路[11]如图2 所示。

_____________________________国家自然科学基金项目（51277004）；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目（IDHT20130501）；北方工业大学优秀青年教师培养计划项目
图2 PN 结高频等效模型
在二极管处于正向导通时期，其R 很小，C 很大，相当于一个电压源并联一个小电阻，其二极管此时两端电压基本上为恒定值；在二极管反向截止时，其R 很大，C 很小，相当于一个绝缘体，只有微小的漏电流流过。

由于二极管在开通时的
结电容里面存储有能量，再加上线路中的电感和电阻，造成了二极管本身具有反向恢复时间。

本文主要分析反激变换器在CCM 情况下二极管和变压器漏感对输入电流的影响，也就是在二极管的关断（反向恢复期间）和其截止期间（结电容）对其的影响。

在二极管关断期间，二极管具有一个
很大的
di
，此刻，其并联的电阻的阻抗远小于其电dt
容的阻抗，在反向恢复期间可以将二极管等效为一个大电容，在截止后，由于其并联电阻很大进而可以忽略，等效为一个比较小的电容，再加上线路上的串联电阻，反激变换器的复频域电路模型可以简化为：
先对图3 进行分析，在反向恢复开始时，变压器漏感中的电流和励磁电感中的电流是相等的（如图1，此时i s=0），进而进入二极管的电流是从0 到负再到0 的反向恢复过程，由KVL 对电路列些电路回路方程可得：
L L i L i L s s
sL leakage
v o L
L R
leakage
m
C D
2L m L
leakage
二极管两端电压为：
v p v v N o
D
s s (5)
v pv N i L v i sL o s 0 leakage in leak age s
图 3 反向恢复期间反激变换器电路模型
可得：
sL v
v D v 1 e
v 1 c os t e t v 1
sin t L (6)
其中， v v N
m V v
1 pv
D
o
leakag e m
图 4 反向截止期间反激变换器电路模型
对电路列写回路方程： i in s L le ak a ge L m
i p sL m v pv
1 leak a ge
2 m 对于图 4，由于是在反向恢复结束时开始的， 其漏感和励磁电感中的电流是承接反向恢复结束
时的，所以，两个电流值不相等，通过上面式子可 以计算出此时的漏感电流值和励磁电流值，分别用 i 1 和 i 2 表示，其二极管电容两端的电压也是承接上 一时刻的电压，通过上式也能计算出来，用 V 1 表示。

由 KVL 对电路列些电路回路方程可得：
1
i in sL m i p sL m 2 R C N C s D 对电路列写回路方程： D i s L L
i s L
V v 1 o i L in leakag e m p m v
Ns Ns 2 m
(1)
pv i L i L
进而求得系统中三个电流方程为： 1 leakag e 2 m
1
(7)
i 1 L le ak age i 2 L m v pv
i in sL m i p sL m 2 R C N C s
D i in L L t L L
D leakage
m leakage m
L m
V v
1 o i
2 L m v pv N L V 1 v o
L
Ns Ns
e t
leakage m
sin t
NL leakage
(2)
可得： i L
i L v i 1 leakage 2 m pv
t e t i 1 i 2 L m cos t in L L L L L leakage L m
leakage m leakage m
L i 1 i 2 L m L l eakage L m
R C
v pv N V 1 v o e t
2L L
L
D
L
sin t
e t
L leakage L m
NL sin t
(8)
m leakage
leakage m
leakage Nv
L
m
V v
e t i 1 i 2 L m
cos t
i p e
pv
L L L leakage L m
L
1
o
sin t
L N
(3)
L leakage L
m m leakage
leakage
m
e t i 1 i 2 L m sin t
i i v pv
t
L lea kage L m
L
m
0 L L
Nv L V v L L
leakage
m
(4)
i e pv m
1 o leakage m
v pv N V D v o
L m L leak a ge N
(9)
L L
L e t leakage m
m
si n t
N
其中，
sin t 其中，
L
le ak ag e
L m R C
D
2L m L leakage
m p
C D =10pF
C D =100pF
C D =200pF
D
v N i
1 i R V 1
(10)
D
可得：
p N 2
C s p C
D s
v D v 1 e
v 1 cos t
(11)
e t v 1
sin t
v Nv
L m
V v 其中， 1 1 o L lea ka g e L m
图 6 反向恢复时间对二极管两端电压的影响
通过计算出来的式子可以看出产生的输入电 流和二极管两端电压的振荡主要是由输入端漏感 和励磁电感并联后与副边折算过来的二极管结电 容所产生的。

一般来说，漏感比励磁电感小，所以
一般认为是漏感和副边折算过来的二极管结电容
所引起的振荡。

SiC 二极管是没有反向恢复时间的， 其可以作含有反向恢复时间为 0 的特殊二极管来考 虑。

2.2 MATLAB 数据分析 为了更好的深入了解上
面表达式，更真切的表 达出输入电流和输出二极管两端电压与反向恢复 时间，漏感和二极管结电容之间的关系，通过控制 变量法，将反向恢复时间，漏感和二极管结电容在 固定两个变量的情况下改变其中一个变量的参数 进行计算，进而得出结论，下面带入样机参数进行 数据分析并从中得出结论：f s =57kHz , v o =220V , N =7, P
=100W ,
v p v =35V ,
L m =35μH ,
L leakage =1.2μH ,
V D =1.2V 。

首先我们在定二极管结电容，定漏感的情况， 分别取 t rr =10ns ，100ns ，200ns ，分析一下反向恢复 时间和两者之间的关系： 通过上面图示可知，当二极管的反向恢复时间 增大时，其输入电流的振荡也就越大，但是输出二 极管两端电压振荡反而在减小。

定反向恢复时间和漏感，分析结电容对两者的
影响。

此时取 C D =10pF ，100 pF ，200 p F 。

图 7 结电容对输入电流的影响
图 5 反向恢复时间对输入电流的影响
图 8 结电容对二极管两端电压的影响
通过上面图示可以得出：二极管关闭时的结电
容越大，其输入电流的振荡也越大，输出二极管的 电压振荡减小，其振荡周期也越大，但是从总体水 平上来看， 对输出二极管两端电压的影响不是很
t rr =10ns
t rr =100ns
t rr =200ns
t rr =10ns
t rr =100ns
t rr =200ns
C D =10pF
C D =100pF
C D =200pF
pv
L leaka ge =0.1μH
L leaka ge =1μH
L leaka ge =2μH
大。

通过上面两种情况的分析可以推理出：由于 SiC 二极管没有反向恢复时间，并且结电容很小，可以 使输入电流的振荡减小，但是会造成 SiC 二极管两 端电压的增大，所以在选择相同的条件下，SiC 二 极管需要选择更大的反向耐压值。

下面主要分析一下漏感变化时对两者的影响， 此 时 定 二 极 管 反 向 恢 复 时 间 和 结 电 容 ， L leakage =0.1μH ，1μH ，2μH 。

图 9 变压器漏感对输入电流的影响（带有反向恢复时
间）
图 10
变压器漏感对二极管两端电压的影响（带有反向
恢复时间）
通过上面图示可以看出，变压器漏感越小，其 输入电流尖峰越大；而且二极管两端的电压越小； 漏感越大，其振荡的周期数越多。

通过设计合适的 变压器漏感，也能减小输入电流的尖峰，以及得到 合适的二极管尖峰电压。

3．实验
本设计做了一个 100W 的样机进行验证，其输 入输出参数为：
输入电压：35V 输出电压：220V 功率：100W
并对漏感进行变化：0.1μH 和 1.2μH
找了三种二极管进行比较：
表 1 三种二极管参数
型号 t rr 结电容 C
MUR1560 60ns 80pF BY500-800 200ns 10pF
MUR460
60ns
35pF
通过上表可以近似，MUR1560 与 MUR460 的 t rr 近似相等，主要用来比较结电容的作用；MUR460 与 BY500-800 结电容近似相等，主要用来比较 t rr 的作用，其实验波形图如下：
图 11 MUR1560 在漏感 0.1μH 下的波形
图 12 MUR1560 在漏感 1.2uH 下的波形
图 13
BY500-800 在漏感 0.1uH 下的波形
L leaka ge =0.1μH
L leaka ge =1μH
L leaka ge =2μH
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峰越小，但是振荡周期增多，主要是因为漏感中储[6]牟清波，许建平，秦明，等．脉冲序列控制反存的能量多的原因。

通过MUR460 和MUR1560 的激变换器输出电压纹波和脉冲组合方式[J]．电工技比较，验证了输出电容越大，其输入电流尖峰越大，术学报, 2010，25(9)：101-107．
通过MUR460 与BY500-800 的比较，验证了t rr 越[7]黄从愿，毛行奎，陈为．反激变换器功率场效应管大，输入电流的尖峰越大。

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复时间和结电容变化与输入电流和输出二极管两[10] 端电压的关系，并给出了在器件选择时的注意事项，
实验结果表明，反激变换器输入电流的振荡和输出二极管两端电压的振荡与变压器漏感，二极管[11]
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大学出版社，2010
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2011:2631-2636．作者简介：
张卫平（1957-），男，博士，教授，研究方向为光伏发电及光伏并网技术。

崔赛华（1990-），男，硕士研究生，研究方向为光伏发电及光伏并网技术。

毛鹏（1984-），男，博士研究生，研究方向为光伏发电及光伏并网技术。