一種并網逆變系統中輔助電源設計方法

周迎春，胡志軍

（湖南理工職業技術學院，湖南湘潭，411104）

0 引言

為了應對世界能源緊缺和環境環保問題，基于以風能和太陽能為代表的可再生能源的分布式發電系統迅速崛起， 其中作為核心組件的并網逆變器應用廣泛。基于此，并網逆變系統中輔助電源的設計顯得尤為重要，其主要為DSP控制主板系統、IGBT驅動電路系統及信號采集及調理電路系統提供電源，為并網逆變系統正常運行提供保障。

涉及到系統的輔助電源設計，首要分析的是并網逆變系統的具體構成和參數，以便于更好地實現系統電源供給。并網逆變系統的主功率電路采用的是電壓型三相半橋式結構的LCL型并網逆變器，另外包括采樣及調理電路、IGBT驅動電路、DSP最小系統電路以及本文所設計的系統輔助電源等部分。并網逆變器的具體參數如下：母線電壓為600V；電網相電壓為220V；電網頻率為50Hz；系統輸出功率為7kW。

針對并網逆變器的具體構成和實際參數，對系統輔助電源進行需求分析。確定應用需求如下：（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）負載調整率：±0.2%；（5）紋波：Vripple≤0.2V。

圖1 并網逆變系統具體構成框圖

圖2 系統輔助電源整體電路圖

1 總體原理

根據系統輔助電源的需求，輔助電源采用反激開關電源拓撲結構，整體電路圖如圖2所示。系統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二極管進行整流和一個大電容進行濾波而實現，從而完成將交流電源轉變為直流電源。

鉗位電路采用RC緩沖電路和反向阻斷二極管實現鉗位功能，防止開關管兩端過壓而導致開關管損壞。

開關芯片選用power integrations公司的TOP264EG芯片，這款芯片內集成了開關管與驅動電路，使用簡單，設計方便。通過調節控制角電流，即可改變波形占空比，從而輸出所需電壓等級。

變壓器部分實現隔離和降壓的功能。

直流輸出部分通過單個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，得到三個直流輸出電壓，滿足系統電源需求。

反饋電路主要由TL431和光耦組成，如此電路設計形式可達到負載調整率（±0.2%）的要求。

2 重要細節設計

2.1 整流橋參數和濾波電容CIN的設計

本文中濾波電容CIN參數設計使用簡單估計方法，從需求分析可知輔助電源的輸出功率oP=34W，且當交流輸入電壓時，輸出功率數值與濾波電容容值的比例系數為1，因此，濾波電容CIN=34μF，從而選擇電容標稱值

圖3 全橋整流電路部分

為確定整流橋二極管的參數，進行如下計算：

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

2.2 變壓器設計

由于本輔助電源為多路輸出模式，根據經驗設置反射電壓VOR=110V。根據伏秒定律有：

結合占空比定義：

則可計算出最大占空比DMAX=0.35。

為了縮小高頻變壓器的體積，并保證系統環路控制的穩定，將開關電源設置為臨界連續模式運行，從而可由式（7）計算出初級峰值電流IP。

至此，根據功率需求及效率最優，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，根據電感電壓與電流變化率之間的關系，可計算出初級電感量LP。

通過聯合式（9）方程組，得出初級線圈匝數NP，見式（10）。

通過計算電壓比得出初次級匝數比如下：

2.3 三路直流輸出部分

為說明輸出整流二極管參數確定方法，以主輸出回路為例，計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紋波和保證直流電源質量，采用幾個低ESR的電解電容并聯作為輸出電容。另外，設置電感取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組合方式實現，其對比于初級反饋方式、光耦器和穩壓管組合方式，輸出精度最好。具體實現原理如下，主輸出端并入兩個串聯的4.7k?電阻，實現無源分壓，從而得到電壓采樣信號，將其接至TL431的參考端，通過TL431將電壓信號轉化為電流信號，并經光耦器LTV817A隔離傳輸到開關芯片的控制腳，由此實現反饋控制。

圖5 反饋控制電路

3 實物制作

圖6 樣機實物圖

圖7 輸出電壓波形圖

經過理論計算、仿真分析及實物設計，得到如圖6的實物樣機，功能正常實現，并且各項指標符合要求，輸出電壓波形可見圖7，輸出電壓平穩，紋波含量小，最大紋波小于0.18V，負載調整率低，達到±0.19%。

4 結論

為并網逆變系統設計的輔助電源實現了小功率、寬輸入范圍、多路輸出等功能，并且具有優良的穩壓性能，其電壓紋波小、負載調整率和電壓調整率低，能夠滿足并網逆變系統輔助電源需求。為并網逆變系統設計輔助電源提供了一套設計方法，該電源體積小、造價低、性能好，在實際應用中具有一定的優勢。