基于Saber的單級(jí)Flyback電路的仿真研究

張國(guó)平，王維俊，王海龍，劉 華

（解放軍后勤工程學(xué)院 機(jī)械電氣工程系，重慶 401331）

照明用電是人類消耗能源的重要方面，約占世界總能耗的20%，因此綠色節(jié)能照明的研究越來越受到重視[1]。LED照明技術(shù)正以其發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能和環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)在更廣的范圍內(nèi)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明方式[2]。

目前，常用的 LED恒流驅(qū)動(dòng)器有 Buck、Boost、Flyback等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。由于電路自身的特點(diǎn)，在小功率(通常小于75 W)和高電壓 (通常高于7.5 V)的應(yīng)用場(chǎng)合，F(xiàn)lyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛[4]。在單級(jí)反激式變換器中,輸入功率因數(shù)和輸出電壓紋波是一對(duì)矛盾體。一方面，傳統(tǒng)的二極管整流使得交流輸入側(cè)電流變成一個(gè)個(gè)短脈沖而不是平滑的正弦波，從而導(dǎo)致輸入側(cè)諧波過大和功率因數(shù)過低[5]；另一方面，如果不使用大電容去消除整流電壓紋波，輸出側(cè)將會(huì)存在較大的2倍基頻的電壓紋波。這個(gè)問題可以通過有源和無源的方法解決。有源法能夠很好地滿足諧波要求，但是電路的設(shè)計(jì)和控制較為復(fù)雜，加上附加電路，不適合小功率的應(yīng)用；無源法適合于對(duì)成本敏感的場(chǎng)合。為了獲得較高的功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換效率，本文提出在反激式電路變壓器的原邊放置一個(gè)LC濾波電路,使輸入側(cè)的總諧波(THD)和功率因數(shù)(PF)得到了很大改善。

Saber是美國(guó)Analogy公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真軟件，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真。本文在分析反激式變換電路工作原理的基礎(chǔ)上，使用Saber仿真軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 Flyback電路結(jié)構(gòu)

圖1所示的單級(jí)反激式變換電路主要由四部分組成。第一部分是由4個(gè)二極管組成的不可控橋式整流電路；第二部分是LC濾波電路，其中Lf應(yīng)足夠大，使用小容量的濾波電容Cf取代大容量的儲(chǔ)能電容，濾除電壓中的高頻分量，使得濾波后的電壓波形仍然保持為正弦形；第三部分是DC/DC變換器，采用反激式，電路工作在電流斷續(xù)模式下，Lm為勵(lì)磁電感。由于變壓器漏感及其他分布參數(shù)的影響，反激式變換器在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，這個(gè)尖峰電壓嚴(yán)重威脅著開關(guān)管的正常工作，必須采取措施對(duì)其進(jìn)行抑制，試驗(yàn)中采用RCD吸收電路對(duì)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)保護(hù)；第四部分是輸出整流部分,通過鋁電解電容為負(fù)載提供平滑的直流電壓。

2 電路工作原理分析

為了方便分析，做以下假設(shè)：

(1)所有的電路元器件都是理想的；

(2)開關(guān)管的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流母線電壓的頻率，因此，可認(rèn)為在一個(gè)開關(guān)周期輸入的電壓保持不變；

(3)輸出儲(chǔ)能電容Co足夠的大，以至于可以認(rèn)為輸出的電壓是一個(gè)理想的直流源。

當(dāng)電路工作在電流斷續(xù)模式(DCM)時(shí)，理論分析的波形如圖2所示，從圖中可以看出，電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，一個(gè)開關(guān)周期可以分為3個(gè)工作狀態(tài)，各狀態(tài)下的電路圖如圖3所示，圖中粗線表示實(shí)際流通路徑。各工作狀態(tài)分述如下。

(1)狀態(tài) 1（t0＜t＜t1）：t0時(shí)刻之前，開關(guān)管 S 關(guān)斷，負(fù)載由電容Co供電。在t0時(shí)刻，開關(guān)管S導(dǎo)通，電源Vg為勵(lì)磁電感Lm充電，Lm上的電流從零逐漸增加,其電流iLm大小為：

至t1時(shí)刻，電流 iLm達(dá)到最大值 iLm.peak。

在此階段，負(fù)載由電容Co供電，由于二極管Do承受反電壓而關(guān)斷。同時(shí)，有：

(2)狀態(tài) 2（t1＜t＜t2）：在 t1時(shí)刻，開關(guān)管 S 關(guān)斷，電流ig變?yōu)榱?，二極管Do導(dǎo)通，開關(guān)管S導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在電感Lm中的能量由變壓器原邊傳遞到副邊，一邊供給負(fù)載R使用，一邊給電容 Co充電，補(bǔ)充電容Co的能量損耗。流過電感Lm中的電流從最大值iLm.peak逐漸減小到零，i1從-iLm.peak逐漸增加到零。

在此階段有：

(3)狀態(tài) 3（t2＜t＜t3）：到 t2時(shí)刻為止，電感 Lm中儲(chǔ)存的能量釋放完畢，開關(guān)管S仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管Do因承受反電壓Vo而關(guān)斷，負(fù)載R由電容Co供電。

在此階段有：

當(dāng)開關(guān)管S再次導(dǎo)通時(shí)，狀態(tài)3結(jié)束，電路再次進(jìn)入狀態(tài)1，開始下一個(gè)周期，并如此循環(huán)下去。

3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：輸入電壓 Vin=90 V～265 V，電網(wǎng)頻率 fL=50 Hz，開關(guān)頻率 fs=100 kHz，輸出電壓 Vout=40 V，輸出電流 Iout=0.75 A,電路的功率 Pout=30 W,效率 η=0.8，最大占空比Dmax=0.5。

3.1 變壓器

變壓器設(shè)計(jì)在最低輸入電壓工況，最低輸入電壓峰值Vin.min(peak)為：

則峰值開關(guān)電流Ipk為：

反激式電路最大占空比應(yīng)不大于0.5，則變壓器原邊電感值Lpri為：

取變壓器的變比為3，則變壓器副邊電感值為：

3.2 濾波電路

Lf和Cf濾波器頻率約為開關(guān)頻率的1/10，以Cf=100 nF作為出發(fā)點(diǎn)，Lf的電感值L為：

3.3 RCD箝位電路

RCD用于鉗位因變壓器T的漏感引起的尖峰電壓，以保護(hù)開關(guān)管S。這里，選擇電容 C=6.16 nF、電阻 R=24.2 kΩ。

4 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證單級(jí)反激式變換電路的工作原理以及上述分析的正確性，本研究對(duì)單級(jí)反激式變換電路進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真軟件使用Saber，建立仿真模型如圖4所示。在仿真中使用電阻負(fù)載代替實(shí)際的LED，MOSFET選擇IRF540，輸出整流二極管為快速恢復(fù)二極管。仿真條件為：變壓器變比 n=3、勵(lì)磁電感 Lm=278 μH、儲(chǔ)能電容 C0=470 μF、負(fù)載 R=53.3 Ω。

圖4 仿真模型

仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。圖5為開關(guān)管門極觸發(fā)信號(hào)Vgs以及變壓器的電流波形，與理論分析的波形一致。圖6表明，在不加入濾波電感時(shí)，輸入電流的波形為一系列的脈沖，而不是平滑的正弦波。圖7表明，加入濾波電感后，輸入電流的波形為平滑的正弦波形。圖8中的電壓和電流波形沒有過大的尖峰，說明RCD箝位吸收電路很好地保護(hù)了開關(guān)管。表1給出了各種條件下的功率因數(shù)和總諧波的比較。

輸入電流總的諧波含量為：

由于電壓和電流相位差很小，在計(jì)算功率因數(shù)時(shí)，忽略相位差的影響，功率因數(shù)為：

圖5 電流波形

圖6 輸入電流和電壓波形（無Lf）

以上理論分析和仿真結(jié)果表明，仿真分析的結(jié)果與理論分析的結(jié)果是一致的，加入LC濾波能夠很好地改善輸入側(cè)的功率因數(shù)和諧波含量，RCD吸收電路能夠很好地保護(hù)開關(guān)管。電路工作在恒頻和固定占空比下，輸出電壓脈動(dòng)能夠控制在5%以內(nèi)，能夠滿足高亮度LED的照明要求。

本文給出了一種單級(jí)反激式變換電路，通過在變壓器原邊增加一個(gè)LC濾波器來提高輸入側(cè)的功率因數(shù)。該方法容易實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路，并且電路的控制簡(jiǎn)單。上述理論和仿真分析為下一步制作實(shí)際的LED驅(qū)動(dòng)電路提供了指導(dǎo)。

圖7 不同輸入下的輸入電流和電壓的波形

圖8 開光管S的電流和電壓波形

表1 不同輸入條件下PF和THD的比較

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