HV-Bus-Assisted Flyback Converter With Only One Additional Active Switch for Leakage- Energy Recycling and Full-Range Soft Switching

在现代电力世界中，能量通常沿着高压高速公路传输以到达目的地，而实际使用这些能量的设备——如计算机、传感器和控制器——则需要更温和的低压电流。为了弥合这一差距，工程师使用专门的电路来降低电压，并且至关重要的是，将低压侧与高压侧隔离，以防止危险的电击。实现这一任务最常用的工具之一是被称为“反激式转换器”（flyback converter）的装置。它是工业界的功臣，因其简单和低成本而备受青睐，但它也存在一个持续存在的缺陷。在其磁心的内部，微量的能量会被困在一个被称为“漏感”的间隙中。当主开关关闭时，这些被困的能量无处可去，只能猛烈地撞向开关，从而产生剧烈的电压尖峰。为了保护电路，工程师通常会添加一个安全阀，仅仅是将这些多余的能量作为热量消耗掉，这既浪费了功率，也降低了系统的效率。

台湾高雄科技大学的研究人员提出了一种处理这些浪费能量的新方法，而无需增加复杂的部件。他们设计了一个改进版的反激式转换器，该设计利用系统中已经存在的现有高压电源线来回收那部分被困的能量。该电路不再让能量以热量的形式消散，而是将其引导回高压母线，使其可以再次被利用。这种方法不仅回收了浪费的功率，还平滑了开关过程，使得主电子开关能够以几乎没有电气摩擦的方式进行开启和关闭。该团队构建并测试了三个这种新型转换器的工作模型，证明了它可以独立运行、回收能量，并在广泛的功率水平下高效运行。

这项创新的核心在于研究人员如何利用转换器周围的环境。在许多现代系统中，例如电动汽车或数据中心中的系统，高压直流母线与电池并排运行。这种被称为“高压母线辅助反激式转换器”（HV-bus-assisted flyback converter）的新型转换器直接连接到电池，但仅使用一个额外的组件来与该高压母线进行通信。在最简单的形式中，这个额外的组件仅仅是一个二极管，即电流的单向阀。当主开关关闭时，这个二极管为被困的漏感能量开辟了一条路径，使其流回高压线，而不是烧毁。这一动作钳制了电压尖峰，既保护了开关，又回收了原本会损失掉的能量。

然而，研究人员意识到，通过用一个主动控制的开关取代那个简单的二极管，他们可以做得更好。通过在精确的时机开启和关闭这个开关，他们可以在主开关开启之前，迫使一小部分电流通过磁性元件向相反方向流动。这种反向电流就像一只温柔的手在向下按压弹簧，释放掉积聚在开关上的电荷。这使得主开关可以在电压处于零的状态下开启，这种状态被称为“零电压开关”（zero-voltage switching）。当开关在零电压下开启时，它产生的热量极少，且产生的电噪声也非常小，这与传统方法中开关必须对抗高电压的情况相比，是一个显著的改进。

为了证明其概念，该团队构建了三个物理原型，每个原型的额定功率为 200 瓦，输出电压分别为 12、24 和 48 伏。他们将这些模块连接到一个设定为 400 伏的公共高压母线和一个在 120 至 150 伏之间变化的电池上。该设置包括一个独立的双向转换器，用于管理电池与高压母线之间的功率流，确保这些新的反激式模块可以在不干扰系统其他部分的情况下独立运行。实验表明，这些模块完全按照预期工作。当主开关开启时，开关两端的电压确实为零，证实了软开关能力。漏感能量被成功地重新定向到高压母线，即使在负载快速变化或电池电压波动时，输出电压仍保持稳定。

性能结果经过了精确测量。当辅助开关仅作为二极管使用时，12 伏模型的满载效率分别为 87.2%、24 伏模型为 92.6%、48 伏模型为 95.3%。当研究人员激活辅助开关的全控制功能以实现零电压开关时，效率得到了进一步提升：12 伏模块达到 89.6%，24 伏模块达到 94.2%，48 伏模块达到了 96.1%。这些数字表明，虽然主动控制增加了少量的复杂性，但减少开关损耗使得系统更加高效，尤其是在较高的功率水平下。研究人员指出，输出二极管仍然是系统中最大的能量损失源，特别是在电流较大的低电压模型中，但整体增益是显著的。

最重要的发现之一是该系统的独立运行能力。三个不同电压的模块并排运行在同一个功率母线上，改变其中一个的负载并不会干扰其他模块。这表明该设计具有高度的模块化特征，这意味着工程师可以轻松地在系统中添加更多单元，而无需重新设计整个电路，也不必担心组件之间的复杂相互作用。控制系统由单个微控制器管理，成功地在包括电池电压从 120 升压至 150 伏在内的所有条件下调节输出电压。瞬态响应（即系统对功率需求突然变化的反应速度）非常快，仅需几毫秒即可趋于稳定。

研究还将其设计与其他试图回收漏感能量或实现软开关的现有解决方案进行了比较。许多替代方案需要多个额外的开关、电容或电感，这增加了电路的成本、尺寸和复杂性。相比之下，这种新设计仅通过一个额外的活动开关和一个二极管就实现了其目标，保持了较低的组件数量。虽然一些其他类型的转换器在特定测试中显示出略高的效率（通常是通过使用需要复杂控制的更高级同步整流技术），但这种新方法提供了一个平衡的解决方案。它保持了使反激式转换器广受欢迎的简单、低成本结构，同时增加了能量回收和软开关带来的性能优势。

研究人员总结道，这种高压母线辅助的方法为存在高压母线和电池共存系统的隔离式功率转换提供了一种实用且低成本的解决方案。通过回收漏感能量并实现软开关，该设计减少了发热量和电噪声，而这些正是工业电源、工厂配电系统和电池储能装置中对于可靠性至关重要的因素。三个模块的成功测试证明了理论在现实世界中的有效性，为在不增加过度复杂性的负担下，实现更高效、更稳健的电力电子技术提供了一条路径。这项工作是一个清晰的范例，展示了如何通过对经典电路进行微小且有针对性的修改，就能显著提升性能与效率。