反激变换器次级谐振反射的研究

孙奉娄，郝英杰

(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)

单端反激变换器结构简单，升压比高，易实现多路输出，但由于其变压器工作在直流偏磁状态，为防止饱和，必须开气隙，则会造成耦合系数降低，漏感增大等，使得变压器效率降低且开关尖峰增大[1]，因此单端反激拓扑多用于低功率且输出高压小电流的场合[2].鉴于以上问题，该拓扑结构的设计必须统筹考虑其开关频率、占空比变化范围及分布参数对器件安全性的影响等.高压输出电路不可避免地用到多个输出整流二极管串联，由于二极管自身静态参数的差异，分布参数的不一致等，造成各二极管上分压不相等，可能会造成某个二极管过压击穿，因此需要采取均压措施[3].通常采用在二极管上并联电阻电容的方式达到均压目的[4]，但均压电容连同次级分布电容会与次级漏感形成LC谐振.此谐振的能量会通过变压器耦合回初级，对初级造成影响.如果均压电容取值过大，使次级谐振电容充电时间大于开关管开通时间，则开关管关断时，谐振回路中电能向磁能转化，此能量耦合回初级会使开关管出现负向电流及电压尖峰.实验证明，均压电路中的均压电容是次级LC谐振的重要参数.

1 次级谐振回路的组成

1.1 电感部分

实际变压器等效电路如图1所示，初级等效于漏感LS1，等效电阻Rm1，励磁电感Lm的串联，再与匝间电容CS1并联；次级等效于漏感LS2，等效电阻Rm2的串联，再与匝间电容CS2并联，CS12为初次级间的分布电容[5,6].

图1中次级可看作理想变压器次级绕组Ns与次级漏感LS2的串联，而漏感虽然不参与耦合，但漏感会参与LC谐振，谐振电流会通过理想变压器耦合回初级.由于分布电感较小，所以次级漏感是次级LC谐振的主要因素.

图1 实际变压器等效电路

1.2 电容部分

串联二极管电路如图2，D1、D2为同型号的二极管，R、C组成二极管的均压电路，R1、C1组成二极管的吸收电路.

图2 串联二极管原理图

电压分布不均匀的主要原因是不同的二极管参数有差别，如二极管反向电阻不同和反向恢复时间不一致以及二极管对地端及对高压端的分布电容不同[6].外部并联RC目的是均衡这种差别.二极管关断的瞬间，电流的快速变化会在二极管上形成大的电压尖峰，R1与C1组成的吸收电路给电流提供了一个泄放通路.一般二极管的尖峰功率较小，因此吸收电容一般较小，过大会造成能量浪费，效率降低；分布电容通常很小约pF量级[7]，所以此处均压电容C是次级谐振的主要因素.

2 谐振过程分析

主电路如图3(a)所示，为了分析方便，现给出主电路简化等效电路，如图3(b)所示，其中，Ns为理想变压器T的次级电感、对次级相当于一个电源，LS2′为次级漏感与次级分布电感的总和，∑C为二极管均压电容C、二极管吸收电容C1、分布电容△C及输出滤波电容的总和；LS2′与∑C组成LC串联谐振.

(a) (b)

次级谐振过程：当开关管开通时，图3(b)中变压器初级Np上正下负，则次级Ns为上负下正，次级漏感LS2′向次级电容∑C充电，电流方向为逆时针，磁能转化为电能[8]；当电能充满后，电流反向，电能向磁能转化，此电流会通过变压器T耦合回初级，使开关管有负向的电流.

反射能量的大小取决于次级电容∑C的储能量，∑C越小，磁能向电能转化的时间越短且反射的能量越小，∑C越大，磁能向电能转化的时间越长且反射的能量越大.若谐振过程中，次级漏感LS2′向电容∑C充电的时间Tc小于开关管开通时间Ton，则电能向磁能转化时开关管仍然是开通状态，此时反射回初级的电流会抵消其部分正向电流，如图4(a)所示.若次级漏感LS2′向电容∑C充电的时间Tc大于开关管开通时间Ton，则开关管关断时，谐振回路中电能才向磁能转化，此时反射回初级的电流会使开关管在关断期间有负向的电流，如图4(b)所示.其中，CH1为电流波形，CH2为驱动波形.

(a)Tc Ton

开关管关断时，图3(b)中次级电感变为上正下负，次级电容电压与次级电感电压叠加，耦合回初级会使开关管在换流瞬间产生电压尖峰，应尽量避免[9].

3 试验结果与分析

现以开关频率为40kHz，变压器次级电感39mH，次级漏感1.2mH，输出整流用两个FR307串联为例，对其试验结果进行了讨论.

图5为几组均压电容取值对应的开关管的IDS和二极管上的电压的波形，皆以CH2为同步信号.左图中CH1为开关管的电流波形，CH2为驱动波形，右图中CH1为D1上的电压波形，CH2为D1,D2间的电压波形.其中图5(b)中Tr对应次级谐振的周期，后面会具体讨论.

(a)均压电容C1=C2=0

(b)均压电容C1=C2=1000pF

(c)均压电容C1=C2=2000pF

(d)均压电容C1=C2=10nF

随着输入电压的增加，占空比会不断减小，当开关管导通时间小于次级谐振过程中给次级电容充电的时间时，皆会出现开关管的换流，这时同样会使开关管出现关断尖峰，因此均压电容C的取值应保证在最小占空比时，谐振反射不会使开关管造成换流.

均压电容越小，反射能量越小，安全的占空比调节范围越大，因此均压电容要在保证均压效果下越小越好.随着均压电容的增大均压效果也越来越好，但均压效果的好坏并非决定于电容的大小，而是决定于二极管参数是否一致，均压电容的增大相对减小了分布电容及结电容的差异，因此均压效果显得越来越好.兼顾均压及谐振两个方面的影响，应选择均压电容为1000pF左右的情况，适当调整电容，可达到好的均压效果.

4 结语

反激变换器次级漏感与次级电容会形成LC谐振，如果次级漏感及电容取值不合适，则次级谐振的能量会通过变压器耦合回初级，造成开关管的换流及误导通.实验发现，在次级漏感一定的情况下，合理的选择均压电容既能保证较好的均压效果，又能避免LC谐振对主电路的影响.均压电容的选择应该保证均压效果的同时，越小越好，确保最小占空比下次级谐振反射的能量不会造成开关管的换流.

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