一種并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源設(shè)計(jì)方法

周迎春，胡志軍

（湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南湘潭，411104）

0 引言

為了應(yīng)對世界能源緊缺和環(huán)境環(huán)保問題，基于以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)迅速崛起， 其中作為核心組件的并網(wǎng)逆變器應(yīng)用廣泛。基于此，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，其主要為DSP控制主板系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動電路系統(tǒng)及信號采集及調(diào)理電路系統(tǒng)提供電源，為并網(wǎng)逆變系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障。

涉及到系統(tǒng)的輔助電源設(shè)計(jì)，首要分析的是并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的具體構(gòu)成和參數(shù)，以便于更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源供給。并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的主功率電路采用的是電壓型三相半橋式結(jié)構(gòu)的LCL型并網(wǎng)逆變器，另外包括采樣及調(diào)理電路、IGBT驅(qū)動電路、DSP最小系統(tǒng)電路以及本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輔助電源等部分。并網(wǎng)逆變器的具體參數(shù)如下：母線電壓為600V；電網(wǎng)相電壓為220V；電網(wǎng)頻率為50Hz；系統(tǒng)輸出功率為7kW。

針對并網(wǎng)逆變器的具體構(gòu)成和實(shí)際參數(shù)，對系統(tǒng)輔助電源進(jìn)行需求分析。確定應(yīng)用需求如下：（1）輸入電壓范圍（2）三路輸出電壓和輸出最大電流分別為：（Vo1=5V、Io1=2A）、（Vo2=12V、（Vo3=-12V、 Io3=1A）；（3）電源效率：η=90%；（4）負(fù)載調(diào)整率：±0.2%；（5）紋波：Vripple≤0.2V。

圖1 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)具體構(gòu)成框圖

圖2 系統(tǒng)輔助電源整體電路圖

1 總體原理

根據(jù)系統(tǒng)輔助電源的需求，輔助電源采用反激開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整體電路圖如圖2所示。系統(tǒng)輔助電源整體電路圖由交流輸入部分、全橋整流電路、鉗位電路、開關(guān)芯片、變壓器部分、直流輸出部分以及反饋電路等組成。

交流輸入部分由保險(xiǎn)絲、壓敏電阻及EMI電路組成。作為交流電源引入的端口，有著保護(hù)后端電源電路并不影響前端輸入電源的作用。

全橋整流電路是通過四個(gè)二極管進(jìn)行整流和一個(gè)大電容進(jìn)行濾波而實(shí)現(xiàn)，從而完成將交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫础?/p>

鉗位電路采用RC緩沖電路和反向阻斷二極管實(shí)現(xiàn)鉗位功能，防止開關(guān)管兩端過壓而導(dǎo)致開關(guān)管損壞。

開關(guān)芯片選用power integrations公司的TOP264EG芯片，這款芯片內(nèi)集成了開關(guān)管與驅(qū)動電路，使用簡單，設(shè)計(jì)方便。通過調(diào)節(jié)控制角電流，即可改變波形占空比，從而輸出所需電壓等級。

變壓器部分實(shí)現(xiàn)隔離和降壓的功能。

直流輸出部分通過單個(gè)二極管半波整流和由電感和電容組成的濾波電路平波組成，得到三個(gè)直流輸出電壓，滿足系統(tǒng)電源需求。

反饋電路主要由TL431和光耦組成，如此電路設(shè)計(jì)形式可達(dá)到負(fù)載調(diào)整率（±0.2%）的要求。

2 重要細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 整流橋參數(shù)和濾波電容CIN的設(shè)計(jì)

本文中濾波電容CIN參數(shù)設(shè)計(jì)使用簡單估計(jì)方法，從需求分析可知輔助電源的輸出功率oP=34W，且當(dāng)交流輸入電壓時(shí)，輸出功率數(shù)值與濾波電容容值的比例系數(shù)為1，因此，濾波電容CIN=34μF，從而選擇電容標(biāo)稱值

圖3 全橋整流電路部分

為確定整流橋二極管的參數(shù)，進(jìn)行如下計(jì)算：

其中，IAVG為平均整流電流。通過式（3）和式（4）的計(jì)算結(jié)果，選擇DB105S作為整流二極管。

2.2 變壓器設(shè)計(jì)

由于本輔助電源為多路輸出模式，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置反射電壓VOR=110V。根據(jù)伏秒定律有：

結(jié)合占空比定義：

則可計(jì)算出最大占空比DMAX=0.35。

為了縮小高頻變壓器的體積，并保證系統(tǒng)環(huán)路控制的穩(wěn)定，將開關(guān)電源設(shè)置為臨界連續(xù)模式運(yùn)行，從而可由式（7）計(jì)算出初級峰值電流IP。

至此，根據(jù)功率需求及效率最優(yōu)，輔助電源變壓器選擇EI28型PC40鐵氧體材料磁芯，其磁芯有效截面積

接下來，根據(jù)電感電壓與電流變化率之間的關(guān)系，可計(jì)算出初級電感量LP。

通過聯(lián)合式（9）方程組，得出初級線圈匝數(shù)NP，見式（10）。

通過計(jì)算電壓比得出初次級匝數(shù)比如下：

2.3 三路直流輸出部分

為說明輸出整流二極管參數(shù)確定方法，以主輸出回路為例，計(jì)算出主次級繞組的最大峰值反向電壓VS1。

為了降低輸出電壓開關(guān)紋波和保證直流電源質(zhì)量，采用幾個(gè)低ESR的電解電容并聯(lián)作為輸出電容。另外，設(shè)置電感取4.7μH、電容取100μF的后級低通濾波器。

圖4 三路直流輸出部分

2.4 反饋控制電路

反饋控制電路采用光耦和TL431組合方式實(shí)現(xiàn)，其對比于初級反饋方式、光耦器和穩(wěn)壓管組合方式，輸出精度最好。具體實(shí)現(xiàn)原理如下，主輸出端并入兩個(gè)串聯(lián)的4.7k?電阻，實(shí)現(xiàn)無源分壓，從而得到電壓采樣信號，將其接至TL431的參考端，通過TL431將電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號，并經(jīng)光耦器LTV817A隔離傳輸?shù)介_關(guān)芯片的控制腳，由此實(shí)現(xiàn)反饋控制。

圖5 反饋控制電路

3 實(shí)物制作

圖6 樣機(jī)實(shí)物圖

圖7 輸出電壓波形圖

經(jīng)過理論計(jì)算、仿真分析及實(shí)物設(shè)計(jì)，得到如圖6的實(shí)物樣機(jī)，功能正常實(shí)現(xiàn)，并且各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，輸出電壓波形可見圖7，輸出電壓平穩(wěn)，紋波含量小，最大紋波小于0.18V，負(fù)載調(diào)整率低，達(dá)到±0.19%。

4 結(jié)論

為并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輔助電源實(shí)現(xiàn)了小功率、寬輸入范圍、多路輸出等功能，并且具有優(yōu)良的穩(wěn)壓性能，其電壓紋波小、負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率低，能夠滿足并網(wǎng)逆變系統(tǒng)輔助電源需求。為并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助電源提供了一套設(shè)計(jì)方法，該電源體積小、造價(jià)低、性能好，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。