光伏逆变辅助电源的设计

摘要：为了设计光伏逆变器的辅助开关电源，电路结构采用电流型隔离式单端反激的控制方式，通过实验得出设计的电路适合光伏逆变电源的结论。该实验涉及开关电源的一些基本设计指标、变压器磁芯及绕组的设计、反馈及稳压电路的设计。设计的辅助电源已经用于光伏逆变器上，运行稳定，输出纹波小，变压器无发热现象，达到了设计目标。
关键词：开关电源；变压器；脉宽控制芯；UC3842

0 引言
随着我国电力电子技术的不断革新以及光伏发电技术的广泛应用，研究光伏逆变电源内部的供电部分具有较大的实用价值。本文针对光伏逆变电源中辅助电源的特点，设计了一种隔离式单端反激的多路输出开关电源，它具有小体积、高性能和便于实现多路输出等优点。

1 原理与设计
1．1 辅助电源工作原理
隔离式单端反激电源电路结构原理如图1所示。

隔离式单端电源是指高频变压器作为主要隔离器件，且变压器磁芯仅工作在其磁滞回线一侧。所谓反激式系指开关功率管VT1导通时，在初级电感线圈中储存能量，而当VT1关闭时，初级线圈中储存能量再通过次级线圈感应释放给负载。
其电路工作过程如下：
当MOS管VT1导通时，电流从电池正极经脉冲变压器上端流经脉冲变压器至下端，再从功率管VT1的D极至S极，最后返回至电池负极。电流在流过脉冲变压器时它在变压器初级电感线圈中做功储存了能量。经变压器耦合，使变压器次级产生了一个上负下正的电压，该电压同时使与变压器次级相连接的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止。在变压器次级回路无电流流过，既没有能量传递给负载。当MOS管VT1截止时，因电感线圈的自感电动势作用，电流方向变成了上负下正，经耦合，变压器次级电感线圈中的电压反转过来，即上正下负，从而使二极管导通，初级上电压经二极管整流成为直流单向脉动电压，该电压给输出电容C充电，同时在负载RL上也有了电流IL流过。
1．2 开关电源的设计
1．2．1 技术指标
具体技术要求为：
(1)输入电源电压：DC 24 V，48 V，110 V，220 V，330 V±99 V。
(2)输出电压电流：VCC1=15 V±0．15 V，0．7 A；VDD1=5 V±0．05 V，0．3 A；VCC2=12 V±0．12 V，0．1 A；VCC3=15 V±0．15 V，0．2 A；VCC4=24 V±0．24 V，0．1 A；VCC5=24 V±0．24 V，0．3 A。
(3)额定输出功率：30 W，最大输出功率40 W。
(4)电压调整率：1％，1I(I指额定输出电流)。
(5)负载调整率：1％，0．2～1I。
(6)纹波系数：VPP≤200 mV。
(7)整机效率：多路电源>80％。
(8)工作环境温度：-10～+45℃。
(9)温升：35％。
(10)过载承受能力：1．1I(10 min)。
1．2．2 开关电源主回路
主回路开关管选用电压驱动型功率管IRF530，与传统的反激自激式开关电源中的晶体管相比，具有频率高，驱动控制简单，驱动功率小的优点。为了减小开关管的开关应力，设计了与初级电感并联的RC缓冲电路，吸收关断过电压的能量。为了满足输出低纹波的要求，输出由TL431构成的精密光耦反馈电路与多级电容滤波。
1．2．3 变压器的设计
设计高频变压器首先应该从选择磁芯开始，然后是确定绕组的匝数。设计过程中需要了解与磁芯相关的多种特性及参数，需要进行各种参数计算和校验。
本文设计的变压器与传统线性变压器相比，具有体积小，重量轻，能量传递效率高，易于改装等优点。
变压器磁芯计算：
反激式开关电源高频变压器磁芯计算可按面积乘积法(AP)计算。

式中：AP单位为cm4；P0为输出面积，单位为W；Ae为磁芯截面积；Aw是窗口面积；D占空比选为0．4；η效率选为0．8；Kw为窗口面积的利用系数值为0．4；J=400 A／cm2；△B=Bm-Br。
AP计算值可简化为：

式中Bm-Br取值0．15 T。
查表则可直接选用EE25型磁芯，为了留出足够的功率余量，实际选用EE28型磁芯。
1．2．4 各输出绕组与绕线
变压器初次线圈匝数计算公式：

式中：f为工作频率，值为150 kHz；B为铁心磁感应强度值为1 000 T；S为容量，S=(s／0．11)2×0．8，其中s为铁芯截面积，单位为cm2；Vi为输入电压；Vo为输出电压。
次级线圈匝数计算公式：

式中△V取值为1．5。
考虑到集肤效应，绕线不易太粗，并且尽量覆盖磁芯面积，可以采用多根并绕的方式。另外，绕制高压侧的3个绕组时，应尽量绕在磁芯的中间位置，即离磁芯的上、下端部都要有一定的距离，且在磁芯上、下端都缠上几毫米的胶带，这样可以保证与低压侧的绕组在开关电源变压器内部有足够的距离。

2 实验
2．1 实验主电路
主电路如图2所示。

该电路采用在变压器初级加上RCD箝位的反激变换器，6路输出；控制电路以U