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基于TMS320F2802的实施并网微型太阳能逆变器设计

时间:10-15 来源:3721RD 点击:

2 硬件设计
2.1 系统结构图
在我们的太阳能逆变器解决方案中,我们选择交叉反激加SCR全桥的拓扑,用于工业频率逆变。所有控制仅为一个MCU(2802x),另外还有一个RS485或者PLC接口,用于通信。图8显示了这种微型太阳能逆变器的结构图。具体规范,请参见《附件A》。

这种拓扑具有如下特点:
简单的系统结构
高效率,低成本
完全隔离,高可靠性
无法实现反应式功率补偿


图 8 微型太阳能逆变器系统结构图

2.2 辅助电源设计
在微型太阳能逆变器中,我们需要可以向A/D采样电路、驱动电路、MCU控制器等输出多电压的辅助电源。另一方面,这种辅助电源必须完全隔离于一次侧到二次侧。

因此,我们选择LM34927芯片;这种芯片具有如下特点:
9到100V的宽输入范围
低成本,集成100V、高低侧开关
恒定导通时间(COT)控制方案无需环路补偿,并具有优异的瞬态响应。
充分保护功能,包括可调节UVLO。

图9显示了LM34927的典型应用原理图。从该原理图,我们知道,LM34927的一次侧为一个降压电路,而二次侧为一个反激拓扑,用于实现隔离。


图9 LM34927典型应用原理图

2.3 作为隔离式前端转换器设计的有源钳位反激
2.3.1 有源钳位反激式转换器概述

图10显示了基础反激拓扑内有源钳位电路的组合情况。图中,反激式变压器被一个等效电路模型代替,其表现出磁化和漏电感(Lr表示除外部电感外一次侧反映的总变压器漏电感)。

开关Q1和Q2与其相关体二极管一起出现。Cr表示两个开关的寄生电容的并联电容。与Lr谐振的这种器件电容,实现了Q1的零电压开关(ZVS)。

利用有源钳位电路,晶体管关闭电压尖峰受到控制,变压器漏电得到回收,并且主开关(Q1)和辅助开关(Q2)的ZVS都成为可能。

这些优点的代价是,需要更多的功率级组件以及更高的控制电路复杂度(两个开关对一个开关)。

为了描述这种电路的工作情况,我们假设:
理想开关组件
磁化电流始终为非零且为正。
Lr(包括变压器漏电感)小于变压器磁化电感Lm(通常为Lm的5%到10%)
Lr中存储充足的电能,以完全对Cr放电,并开启Q1的体二极管。


图 10 有源钳位反激转换器的简化原理图

2.3.2 有源钳位反激设计零电压开关考虑
为了实现Q1的ZVS,Q2必须在谐振电感电流下降区间开启。否则,谐振电感电流反向(再次变为正),其对Cr再充电,并且失去ZVS(或者至少部分失去)。因此,Q2关闭和Q1开启之间的延迟时间对ZVS运行至关重要。最佳延迟值为Lr和Cr组成谐振时间的四分之一:

所以,最好是让停滞时间位于Q1关闭和Q2打开之间,小于Tdelay,以实现部分ZVS状态。

即使Lr中存储能量不足以完全对开关电容Cr完全放电,从而最小化Q1和Q2的潜在电压应力(并获得更高的转换器效率),我们必须小心地设计谐振电感Lr、谐振电容Cr和钳位电容Cc的参数。

2.3.2.1 谐振电感Lr设计
在确定Lm值以后,可对谐振电感进行设计。如前所述,我们假设其值为Lm的一小部分(通常为Lm的5%到10%)。

给定转换器工作点和Cr值时,要实现ZVS,Lr的大小必须足以完全对开关电容放电。

Lr设计很难,因为谐振电容电压(Vcr)为Lr值的函数,如下面方程式:

但是,在实际设计中,谐振电感电压相对较小(相对于Vin+NVo),并且可求解实现ZVS状态必需的Lr近似最小值:

在要求高输出电压的这种应用中,专门的输出整流器软开关特性比实现主开关ZVS要更为理想。

2.3.2.2 钳位电容器Cc设计
根据Lr设计,选择钳位电容的值。钳位电容器和谐振电感形成的谐振频率足够低,这样,当开关关闭时,电源开关便不会出现过多的谐振振铃。但是,使用过大的钳位电容值,并不会带来钳位性能的改善,并且代价是更大容量(同时也更加昂贵)的电容器。一种较好的折中方法是,选择一个电容器值,使钳位电容器和谐振电感形成的谐振时间的一半,超出Q1的最大关闭时间。因此:

其中,DHL表示最大输入电压工作,fs为Q1和Q2的工作开关频率。

电容器额定电压必须超出NVo,并且超出量为Lr的压降:

钳位电容器和谐振电感的谐振时间可通过下列方程式计算得到:


2.3.3 有源钳位反激的开环仿真
图11为这种有源钳位反激的开环仿真模型。下列值用于该仿真:输入电压Vin=36V,主MOSFET开关频率fs=65kHz,谐振电感Lr=0.5µH,谐振电容Cr=1nF,钳位电容Cc=10µF,主开关MOSFET的最大占空因数D=0.6,而负载Rload=100 ?。


图 11 有源钳位反激的开环仿真模型

(红色波形为VGS,绿色波形为VDS

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