宽输入多路输出双管反激变换器的分析与制作

摘要本文对dc-dc变换器进行了分析、比较，结合高压、宽输入，小功率和多路输出的设计要求，并做了双管反激变换器的saber仿真分析及样机的制作。

【关键词】双管反激变换器 saber仿真

1 前言

世界对能源、环保问题的重视，人们对绿色能源的期望越来越高，从而促进了可再生能源，尤其是太阳能及风能的开发利用。在太阳能光伏发电系统中，光伏电池的特性随照射光的强度变化幅度比较大，所以系统逆变器的控制电源应具备大范围直流电压变化情况下的稳定工作能力，即应该有一个相当宽的工作电压范围，这样在太阳光线很弱的情况下仍能保证逆变器控制系统的正常工作。

2 线性稳压电源和开关稳压电源是现有的电源两种主要类型概述

开关电源是一种新型、高效的直流电源，因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统的线性稳压电源。在本课题中多路输出开关电源需要在一个相当宽的工作电压范围内稳定输出，要保证开关电源能够在这么宽的输入电压范围内正常工作，如果用常规方法设计，首先要保证在最低电压时主功率管工作在最大的占空比，当电压上升到最高电压时，主功率管的占空比很小了，这样肯定会丢脉冲，系统会工作不稳定。为此本课题针对宽输入多路输出的关键问题讲进行研究。

隔离型dc-dc 变换器包括反激、正激、推挽、半桥以及全桥等。这类变压器适用于升降压范围宽，输入输出间需要电气隔离的场合。下面将结合电路要求，简要介绍这几种变换器的优缺点。

2.1 单端反激变换器

单端反激电路结构简单，成本低，易于多路输出。反激变换器相当于隔离的buck-boost 变换器，其中隔离变压器是个多绕组耦合电感，具有储能、变压和隔离的作用。变压器储能限制了变换器的输出功率，因此只适合于小功率应用场合。且变压器单向激磁，利用率低。

2.2 单端正激变换器

电路形式与反激式变换器相似，只是变压器的接法和作用不同。优点同样是是电路结构简单。但其变压器铁芯磁复位必须采取磁复位电路来实现，除有源箝位等少数几种磁复位方式外，其它多种复位方式拓扑一般存在以下缺陷：变压器铁芯单向磁化，利用率低，主功率管的占空比一般都不超过0.5，主功率管承受两倍左右的输入电压。

2.3 半桥变换器

铁芯双向磁化，利用率高。变压器铁芯不存在直流偏磁现象，功率管承受电源电压，流过两倍的输入电流，适合高压中功率场合。

2.4 双管反激小功率辅助电源

对于小功率应用场合，通常采用正激变换器和反激变换器这两种变换器。输入电压不高的场合，通常采取单端反激的设计方法，但在较高输入电压场合单端反激电路不适用，由于输入电压的变化范围、反激电压、输出轻载状况，单端反激变换器主开关电压应力较大。反激变换器中变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和要加入气隙，因此漏感较大。当功率管关断时，会产生很大的关断电压尖峰，从而进一步增加了主开关管的电压应力，使emi更为严重，有可能损坏功率管。因此本文采用双管反激的思路，将单管用两只开关管替代，同时导通、关断，并采用箝位二极管把开关管在反激过程中承受的峰值电压箝制在输入电源电压。由此双管反激电路每个开关管上的电压应力大大降低了，开关管的选择范围也更大，同时也具备了单端反激电路的优点。

双管反激变换器的saber仿真，仿真原理图如图1所示。

测试条件：

输入电压：200～600vdc

输出电压：+15v/0.33a（rload =45）

?c15v/0.2a（rload =75）

24v/0.5a（rload =48）

开关频率：100khz

仿真分别按200v、400v、600v三种输入电压情况进行；每一种输入电压按满载、1/2负载、1/3负载三种负载情况进行仿真。电路变压器始终工作在断续模式下，波形相似，如图2是输入电压400v下的满载情况的仿真波形。

由仿真波形可见：

（1）输入由200v～600v变化时输出电压稳定，输出电压纹波小。由于输入升高时反馈电压上升，其与uc3844内部提供2.5v参考电压经误差放大器比较得到的差值增大，门限电压升高，电流经采样电阻转换得到的电压与门限电压比较得到的占空比d减小，从而控制开关管的导通时间，稳定输出。

（2）负载变化时变压器始终工作在dcm模式，负载减轻时，纹波减小，输出电压上升。由于负载电流减小，采样得到的电流减小，采样电阻上的电压降低，占空比d减小，从而控制输出基本稳定。

（3）开关管导通时，原边电流线性增长，副边无电流。此时副边整流管关断，电源向原边传递能量，原边充当电感储能，输出滤波电容向负载放电。

实验时采用一万用表串联在输入端，另一万用表并联在输入端，分别测量输入电流和输入电压；输出端采用电子负载，ccl模式，直接给电路提供负载。

根据实验数据作出输入电压变化时开关电源的效率曲线，效率随着输出功率的增加而增大，随着输入电压的增加而增加，由于实验室直流电源最高供电略高于350v，而设计及制作时按输入电压200-600v的技术指标进行，开关管及续流、整流管的耐压较350v输入来说均偏高，故可以推测电路仍未达到最高效率。对闭环电路进行了saber仿真，运用protel绘制了电路原理图和pcb，制作并调试成功了实验样机，给出了实验结果，验证了理论分析的正确。