高输入电压单端反激式开关电源设计关键问题

摘  要:  讨论了高输入电压情况下单端反激式开关电源设计中的关键问题，如变压器设计中的匝数较多、漏感引起的尖峰电压及缓冲回路设计及器件选择等问题，并提出了相应的解决策略。提供了详细的实验波形，充分验证了方案的正确性，为后续开发者提供了参考。
关键词： 开关电源；反激式；高输入电压
   　单端反激式开关电源不需要输出滤波电感，体积小巧，无需高压续流二极管，变压器原副边电气隔离，电路拓扑简单、成本低、性能稳定[1-3]，广泛用于小功率直流电源设计中，如工业变频驱动设备的供电电源[4]。
　由于中压变频、断提高，例如1 700 V的IGBT模块应用已经非常普遍,其直流母线电压往往高于1 000  V。此时功率模块的驱动电路供电电源的方案有：(1)采用直流低电压(+15 V)，然后通过隔离DC/DC变换得到相应直流电压;(2)采用隔离变压器获得输出低压交流电(AC100 V)，再设计相应的开关电源;(3)直接对高输入直流母线电压设计开关变压器。其中最后一种设计方案电源隔离效果较好，适用于高电压场合，且无需额外连线，电路结构简单，可靠性高。但该方案所需要解决的是输入电压高的问题，其开关器件的耐压等级要求较高,同时原副边电压值差异大,导致变压器设计困难。因此，研究高直流母线电压条件下反激式开关电源的设计方法具有重要意义。
　本文讨论了高直流母线条件下开关电源的设计方法，包括电路结构、器件选择和变压器设计，并提供了详细的实验波形，为反激式开关电源设计提供了参考。
1 反激式开关电源主电路结构
　本文采用的反激式开关电源电路系统结构,如图1所示。当开关管导通时，变压器原边导通，电流线性上升，磁场储能；当开关管截止时，磁能向副边释放电能。该结构采用UC3844电源控制芯片,通过稳压芯片TL431构建电压外环,并通过采样电阻构成电流内环实现稳定电压控制。UC3844的6脚输出脉宽调制信号，驱动开关管。开关管导通时，原边电流增大，采样电阻Rs的电压逐渐升高并反馈回UC3844的3脚,当此信号大于1 V(或电压外环参考值)时将关断脉冲输出。同时,输出电压通过TL431构成反馈电压环电路，当输出电压一旦高于设定电压时,补偿电压将变为低电平反馈回UC3844的1脚，从而关断PWM输出。由于UC3844输出脉宽信号的最大占空比为50%，因此适合于设计断续模式的反激式开关电源。
   
   2 器件选择及参数选取
     由于输入直流母线的电压高(500 V~1 300 V)，因此开关器件需采用高耐压等级器件。最大电压出现在关断时刻，为母线电压、反激电压与漏感造成的尖峰电压之和。可采用耐压等级为1 700 V的小功率IGBT模块，如IXYS公司的IXGH6N170A。驱动电路设计可采用图2(a)的电路进行设计，加速IGBT关断过程；也可采用图2(b)的方法，当驱动信号为低电平时，通过PNP管T1放电回路可快速释放开关管内部电容存储的电荷,加快关断过程。