隔離型SEPIC漏感影響及其吸收電路的研究

陳　琦，王　勤，許子龍，伍群芳

（南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京211106）

隔離型SEPIC漏感影響及其吸收電路的研究

陳琦，王勤，許子龍，伍群芳

（南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京211106）

研究了隔離型SEPIC變換器，該拓?fù)渚哂蠦oost型輸入結(jié)構(gòu)和高功率因素特性，輸入電流紋波小，被廣泛應(yīng)用于帶PFC的LED驅(qū)動、新能源發(fā)電系統(tǒng)等場合。詳細(xì)分析了該電路工作原理以及相關(guān)的電壓應(yīng)力，介紹了減小漏感的變壓器繞制方法，并針對隔離型SEPIC變換器特點，設(shè)計了漏感能量吸收電路。最后搭建了一臺200 W樣機進(jìn)行實驗，驗證了理論分析的正確性。

低輸入紋波；隔離型；漏感；RCD緩沖

0　引言

Boost變換器因其高效性和高功率因數(shù)特性，成為最常用的功率因數(shù)矯正拓?fù)?，但由于其本質(zhì)的升壓特性，無法實現(xiàn)隔離，應(yīng)用場合比較局限。Flyback是低功率中另一個最常用的拓?fù)?，特別是需要隔離的場合。它能工作于寬的輸入電壓范圍，而且輸出電壓不受限制，但其必須加入吸收電路來抑制變壓器漏感引起的振蕩和尖峰，更為重要的是變壓器工作于第一象限，變壓器磁芯利用率不高，因此效率較低，通常約 85%［1］。SEPIC變換器雖然效率不及Boost變換器，但具有如下優(yōu)點：(1)擁有較高的功率因素特性；(2)輸入電感可以有效抑制輸入電流波動；(3)很容易改變?yōu)楦綦x型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輸入輸出電氣隔離［2］。

基于以上優(yōu)點，SEPIC的隔離型結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于如光伏電池、燃料電池等新能源發(fā)電系統(tǒng)中［3-4］，其輸入端的低電流紋波可以使光伏電池、燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高，使用壽命延長［5-6］。同時，帶FPC的SEPIC在LED照明驅(qū)動中的應(yīng)用也得到了廣泛的研究。國內(nèi)外先后提出了BCM(Boundary Conduction Mode，臨界電流模式)SEPIC［7］和無電解電容 SEPIC PFC［2］，大大提高電路的效率和使用壽命。

然而，這些應(yīng)用都是基于隔離型的 SEPIC拓?fù)?。本文詳?xì)分析該拓?fù)涞墓ぷ髟恚撏負(fù)涞母綦x變壓器工作原理類似于反激變壓器，其在一個工作周期里需要儲存主功率能量，如果不能很好地吸收漏感能量，會給開關(guān)管帶來很大的電壓尖峰問題。且由于隔離型SEPIC特有的輸入電感結(jié)構(gòu)使其無法像反激電路一樣使用RCD箝位電路吸收漏感能量。為此，本文針對隔離型 SEPIC電路的漏感問題采用了交錯繞制的變壓器結(jié)構(gòu)以減小漏感，給出了適用于該拓?fù)涞穆└形针娐返脑O(shè)計方法，并通過實驗驗證了理論分析結(jié)果。

1　隔離型SEPIC變換器拓?fù)?/h2>

1.1變換器電路結(jié)構(gòu)

隔離型SEPIC變換器拓?fù)淙鐖D1所示。輸入電感L可以有效抑制輸入源 Vin的電流紋波。Vin、L和開關(guān)管 Q構(gòu)成脈沖電流源［8］。電容 Cs和變壓器勵磁電感 Lm構(gòu)成能量緩沖電路，Lms為勵磁電感等效到副邊的值，Lr為變壓器漏感，n為變壓器匝比。Co為輸出濾波電容，Cds為開關(guān)管Q的寄生電容，Cj為整流二極管D的結(jié)電容。iL、ip、is分別為電流變量，uds、uCs、uD為電壓變量，它們的參考方向如圖1所示。

圖1　隔離型SEPIC變換器

1.2工作模態(tài)分析

隔離型 SEPIC電路的工作原理可以參考反激電路，以開關(guān)管Q為分界點，后面部分可以看作為一個反激電路。其工作時的主要波形如圖2所示。考慮變壓器漏感影響，并假設(shè)電路元器件均為理想。其工作主要分為以下6個階段。

圖2　電路關(guān)鍵波形

階段Ⅰ［t0-t1］：如圖3(a)所示，開關(guān)管 Q關(guān)斷，Cds充電，其電壓迅速上升。Cds與 Lr開始諧振，當(dāng) uds初次諧振到穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓(nVo+VCs)時，副邊整流管開始承受正壓而導(dǎo)通，該階段結(jié)束。在這個階段里，輸入電感L電流iL增加，Cs釋放電能，向變壓器勵磁電感 Lm充能。

階段Ⅱ［t1-t2］：如圖3(b)所示，副邊二極管 D導(dǎo)通，其電流is迅速增大。變壓器原邊電流ip迅速下降并反向。這個過程中，勵磁電感電壓被箝位，開關(guān)管寄生電容Cds與變壓器漏感 Lr諧振。

階段Ⅲ［t2-t3］：如圖3(c)所示，諧振結(jié)束，開關(guān)管 Q支路電流下降為零，電路穩(wěn)態(tài)運行。輸入電感釋放能量給Cs和Co充電，同時變壓器勵磁電感釋放能量給Co充電。開關(guān)管Q承受的電壓應(yīng)力 Vds為(nVo+VCs)。

階段Ⅳ［t3-t4］：如圖3(d)所示，開關(guān)管 Q導(dǎo)通，由于變壓器漏感的存在，副邊二極管繼續(xù)導(dǎo)通。這個階段里，副邊電流迅速下降，原邊電流反向。

階段Ⅴ［t4-t5］：如圖3(e)所示，副邊二極管關(guān)斷，二極管結(jié)電容充電，電壓uD迅速上升。這個過程中，二極管結(jié)電容 Cj與變壓器漏感 Lr發(fā)生諧振。

階段Ⅵ［t5-t6］：如圖3(f)所示，變壓器副邊完全關(guān)斷，電流 is下降為零，電路穩(wěn)態(tài)運行。輸入源Vin給電感L充能，緩沖電容Cs釋放電能給變壓器勵磁電感充能。副邊二極管的電壓應(yīng)力VD為(Vo+VCs/n)。

圖3　電路工作狀態(tài)

2　電路設(shè)計考慮

2.1變壓器繞制

漏感的存在是耦合電感不可避免的，如上文所述，漏感能量過大會導(dǎo)致原邊的輸入電感不能及時給緩沖電容Cs充電，電流灌入到開關(guān)管寄生電容Cds上，產(chǎn)生很大的電壓尖峰。過大的電壓應(yīng)力，情況嚴(yán)重會導(dǎo)致MOSFET損壞。因此，需要通過一些方法來減小變壓的漏感。本文設(shè)計的變壓器原邊繞組采用漆包線繞制，副邊繞組采用銅皮繞制。

常規(guī)的變壓器繞制主要采用順序繞制，即原邊線圈全部繞完后再繞制副邊線圈，如圖4(a)所示。如果采用原、副邊的交錯繞法，如圖4(b)所示。其鄰近效應(yīng)電流分布相當(dāng)于單層線圈高度折半。這樣分層的線圈具有低渦流損耗、低磁場強度和低的漏感。

圖4　變壓器繞制方法

在圖4(b)中將原邊(P)和副邊(S)都分成兩層，每層都是總線圈的1/2。但實際上副邊并不分成兩層，只是從磁場的意義上在虛線處分開的，副邊就成半層。兩級交錯還可減少電磁干擾，但增加了原、副邊之間的電容［9］。

2.2緩沖電路的選擇與設(shè)計

變壓器合理的繞制只能最大程度地減小漏感，但是無法完全消除漏感。漏感帶來的尖峰使得MOSFET選型時所需要承受的電壓應(yīng)力要遠(yuǎn)大于關(guān)斷穩(wěn)態(tài)電壓，這就需要選擇一些耐壓值大的MOSFET。然而，通常情況下耐壓值大的MOSFET其導(dǎo)通電阻也相對較大，這使得導(dǎo)通損耗增加。所以，一個合適的吸收電路對于該電路也是必不可少的。

常見的吸收電路主要有 RCD箝位電路、RCD緩沖電路、RC緩沖電路，電路如圖5所示。其中，圖5(a)是RCD箝位電路，由于前級輸入電感結(jié)構(gòu)，如采用RCD箝位電路，會在原邊形成內(nèi)部Boost電路，導(dǎo)致輸入電感上的能量被吸收消耗，所以該拓?fù)洳贿m合使用RCD箝位電路。圖5(b)是RCD緩沖電路，圖5(c)是RC緩沖電路，電阻在這里起到限流的作用。由于該電路電容與電阻成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以必須依靠主電路來提供回路，通常利用開關(guān)管開通時溝道來形成的RC放電回路進(jìn)行放電。RCD緩沖電路相對于RC緩沖電路要復(fù)雜一點，但是二極管在充電時短路了限流電阻，使得開關(guān)管的電壓尖峰抑制效果更好，適用于限流電阻選取相對較大的情況。

圖5　吸收電路

緩沖電路的參數(shù)設(shè)計一般采用實驗法，即通過實驗結(jié)果計算電路的雜散電容和雜散電感。方法是先測量原電路開關(guān)管的振蕩周期和頻率，分別記為 T1、f1。然后在管子兩端并聯(lián)一個測試電容 Ctest，通常取 1 nF，再次測得T2、f2。可以通過式(1)、式(2)計算出雜散電感 Lp和雜散電容Cp。

再設(shè)計所需要的阻尼電阻Rs的大小，設(shè)為雜散電感電容的特性阻抗，由式(3)給出。

由于RC放電時間不得大于開關(guān)管開通時間，根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)放電時間大于5倍時間常數(shù)時基本放電完全。設(shè)定平均開通時間為0.5個周期Tsw。所以緩沖電容可以由式(4)求出。

取吸收的峰值電壓為兩倍的開關(guān)管關(guān)斷電壓，可以計算所需要的電阻功率，由式(5)給出。

3　實驗結(jié)果

本文搭建了 200 W、輸出 12 V的樣機，輸入電壓為36 V。樣機的功率電路主要參數(shù)如下：主開關(guān)選用IRFP260；副邊整流選用 MBR20H150CTG；緩沖電容為5.6μF的CBB電容；磁芯選擇鐵氧體PC40，變壓器型號EE42C，電感型號EE42B；RCD緩沖二極管選擇MUR260，電容選擇12 nF的CBB。吸收電阻選取 81 Ω的6 W功率電阻。

表1給出了采用交錯繞制前后變壓器的參數(shù)對比。從中可以看出采用了交錯繞制后，變壓器的漏感得到了明顯的抑制。

開關(guān)管漏源極電壓對比波形如圖6所示，圖6(a)為采用交錯繞制后不加RCD緩沖的主開關(guān)管驅(qū)動及漏源極電壓波形，圖6(b)為采用交錯繞制后加上 RCD緩沖后的主開關(guān)管驅(qū)動波形以及漏源極電壓波形。圖6(c)為采用普通繞制變壓器的主開關(guān)管驅(qū)動及漏源極電壓波形。由波形可以看出普通繞制的變壓器漏感能量直到開關(guān)管開通時還未消耗完全，交錯繞制可以有效減小漏感能量；RCD緩沖電路有效地吸收了開關(guān)管電壓尖峰。

圖7所示為電路關(guān)鍵波形，圖7(a)為主開關(guān)管電壓波形與副邊整流二極管的電壓波形。圖7(b)為緩沖電容Cs電壓波形，從波形上可以看出緩沖電容上的電壓基本穩(wěn)定在輸入電壓 36 V左右。圖7(c)為輸入電感電流波形，圖7(d)為穩(wěn)態(tài)運行電壓波形?？梢钥闯?，加RCD緩沖電路的隔離型 SEPIC電路各個部分的電壓電流波形均比較平穩(wěn)，沒有太大的振蕩。

圖8為實測效率曲線，其中Po為輸出功率；η為效率。由圖可知，最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90.2%。

圖6　開關(guān)管漏源極電壓對比波形

圖7　電路關(guān)鍵波形

圖8　實測效率曲線

4　結(jié)論

本文針對隔離型SEPIC的漏感問題進(jìn)行了研究。分析得出其漏感不僅影響了電路的整體效率，其輸入電感的結(jié)構(gòu)也會使得開關(guān)電壓尖峰問題更加嚴(yán)重。因此，采取了改進(jìn)變壓器繞組結(jié)構(gòu)和加RCD緩沖電路吸收漏感能量這兩種方式來解決其漏感帶來的功率損耗和開關(guān)管電壓振蕩問題。實驗結(jié)果表明漏感能量和開關(guān)管的電壓尖峰問題得到了很好的抑制，實測電路效率最高可以達(dá)到90.2%。

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Influence and power absorption of isolated SEPIC leakage inductor

Chen Qi，Wang Qin，Xu Zilong，Wu Qunfang
(College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China)

An isolated SEPIC is studied in this paper.The structure can realize the electrical isolation compared to the basic SEPIC topology.The converter has the input structure like Boost.It can cut down the input current ripple and achieve high power factor.The converter is suitable for LED driver with PFC or new energy power supply system.In this paper,operation principle is analyzed in detail with the consideration of leakage inductor；voltage stress is calculated in this situation；winding structure of the transform is introduced.Three leakage inductor power absorption circuits are compared and one of them is designed.At last,a 200 W prototype is built to verify the analysis result.

low current ripple；isolation；leakage inductor；RCD snubber

TM433

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.037

2015-10-16)

陳琦（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：功率電子變換技術(shù)。

王勤（1967-），男，博士，教授，主要研究方向：功率電子變換技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)。

中文引用格式：陳琦，王勤，許子龍，等.隔離型 SEPIC漏感影響及其吸收電路的研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：135-138.

英文引用格式：Chen Qi，Wang Qin，Xu Zilong，et al.Influence and power absorption of isolated SEPIC leakage inductor［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：135-138.