一种基于准谐振技术的反激电源设计

申宏伟，张昊东，朱燕萍，万志华，曹 帅

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

0 引 言

在大功率电池充电机中，一般需要单独的辅助电源为内部控制电路和散热风扇等供电。由于辅助电源仅为充电机内部电路供电，完全作为充电机的内部损耗，影响整机效率，因此要求辅助电源的效率尽量高。反激变换器由于具有电路简单、成本低等优点，常作为辅助电源使用。传统的反激变换器，当工作在电流断续模式时，开关关断，电流降为0 后，开关两端电压处于自由震荡状态；开关开通时，MOSFET 两端电压可能处于谐振电压峰值附近，开通损耗较大，效率降低。本文设计一种基于准谐振技术的反激电源，作为充电机内部辅助电源，可有效减小损耗，提升整机效率[1]。

1 工作原理

基本反激变换器的电路原理如图1 所示。

图1 基本反激变换器电路原理

反激电源一般工作在电流断续模式，如图2 所示。当原边开关管Q1关断时，由于变压器副边流过电流，变压器原边被钳位至副边反射到原边的电压Ureflect，此时变压器漏感Lleak与开关两端电容Cds产生谐振，使开关管Q1两端电压Uds以Uin+Ureflect为中心震荡，震荡周期为，并最终在线路阻尼的作用下衰减稳定至Uin+Ureflect。继而当副边电流降低至0 时，原边开关Q1的漏源电压Uds的大小会从Uin+Ureflect降低至输入电压Uin，并在变压器原边电感Lp和Q1两端的电容Cds组成的谐振网络的作用下以Uin为中心震荡，震荡周期为。传统反激电源一般工作在定频模式，原边MOSFET按照固定周期开关，因此在MOSFET 开通时，Uds两端电压不确定。若在电压震荡波峰附近开通，则开通瞬间Cds会通过 Q1放电，产生很大的尖峰电流，增加了开通损耗，同时尖峰电流包含大量谐波成分，从而产生强烈的EMI 干扰。

图2 反激变换器开关管两端电压Uds 示意

采用准谐振技术的反激变换器具有谷底检测和触发功能，能够控制开关管在电压震荡谷底处触发开通，从而可以减小开通损耗，提升电源的效率，同时也可以优化电源的EMI 特性[2-5]。

2 电路设计

本文所述基于准谐振技术的反激变换器电路如图3 所示，输入电压范围为510 ～860 V，最大输出功率为65 W，额定输出电压为15 V，预估效率为0.85。输入从充电机前级 PFC 输出母线电压处取电，输出一路15 V，为充电机内部控制电路供电。主控芯片采用NCP1380，是一款准谐振转换器的专用控制器。该控制器基于谷底锁定技术，可以根据负载大小自动切换开通时刻和开关频率。随着负载降低，可以控制电源开通时刻从第1个谷底依次切换到第2个、第3个，直至第 4 个谷底，并在负载继续降低时切换到变频模式，在全负载范围内提升电源效率。15 V 输出采用同步整流，从而降低整流管导通损耗，进一步提升电源的效率。15 V 输出通过TL431 和光耦组成的反馈电路反馈至原边NCP1380 的控制端，实现电压闭环控制。二极管VD1、瞬态抑制二极管VZ3和电容C9组成吸收电路，用于吸收变压器漏感引起的电压尖峰，保护原边开关管M1免受过压损坏。电阻R1～R3、二极管VD6、VD11和电容C2组成波谷检测电路，与NCP1380的ZCD 引脚配合，完成波谷检测和触发功能。

图3 基于准谐振技术的反激变换器电路

3 仿真验证

在SIMPLIS 软件中搭建仿真模型，如图4 所示。

图4 基于准谐振技术的反激电源仿真模型

运行仿真模型电路，获取电源在不同负载下的Uds波形如图5 所示。电源根据负载的变化，自动锁定触发谷底，轻载时在第4 个电压谐振谷底开通。随着负载增加，依次切换到第3 个、第2 个和第1 个谷底，实现了全负载范围内的效率优化提升，并兼顾了稳定性的均衡。

图5 不同负载条件下Uds 的仿真波形

4 实验验证

基于准谐振技术的反激电源样机实物照片如图6所示。

图6 电源测试样机照片

测试电源在不同负载下的Uds波形如图7 所示，可以看到电源根据负载变化自动锁定第1 ～4 个谷底触发开通，实现了准谐振控制，与电路仿真的波形相符，达到了设计预期。

图7 不同负载条件下的实测波形

测试电源在不同输入电压和不同负载条件下的效率，结果如图8 所示，在全负载范围内效率得到有效提升，最高点效率达到85%。

图8 电源样机效率测试结果

5 结 论

针对大功率电池充电机内部辅助电源的应用场合，设计一种基于准谐振技术的反激电源。文中详细分析了该电源采用的准谐振谷底触发技术的原理，介绍了实际电源电路的设计和工作原理，并进行了仿真和实物验证。仿真和实测结果表明，该反激电源实现了全负载范围内的效率优化。