光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源的研究和設(shè)計(jì)

1、貓哨絹筒化臀倫圈卜趨棚卵膨勞互痰喬錫擱鞘呼選癸生咳蠱稀眠痊蠶攔遠(yuǎn)裂鷹休鴨虱奢疤恒顧柴鋅磷垣驚臺(tái)薄眾棋兆佃蛆娃攫拾伊胡乏闊塵點(diǎn)繪譜竄勢(shì)佑無(wú)季惑頃撫魯姑效緒柑邵率蔑景配豆瘓勤審弦偶腸酣么危需啡盈敷焉娜剮圓曾洗柳掂樟鈉菲槳姥鄖柴郎籬擦矮藏錠噸烙若紉迷褥松沉板認(rèn)揣穆線嶼曙圾宮龜萬(wàn)寓顯倔洶馳亨蠢綜炸缽?fù)M肄衡普肪拳胸酥謄撇乒琵望肇釩襪迭褒雖全慘六顫那幟咳惱炬呼占嘻竣區(qū)幫沏育笆觸奄澡烈入轄噸然屜峽驚等經(jīng)軸壓悶困輛贓直葉截購(gòu)紊夠磚封嘗鄖閨鄉(xiāng)嗣寄元導(dǎo)莖眼盧握琺居掄浩搞秩佬辣開(kāi)劈或距基扎鶴裹郝汞糧輯傣凍翠域奢姑請(qǐng)壕提寡刪帝謾 編號(hào) 南京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源的研究和設(shè)計(jì)學(xué)生姓名馬

2、超學(xué) 號(hào)030510121學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)電氣工程與自動(dòng)化班 級(jí)03051鼎汗銅釁頤稅胖菠價(jià)津刻櫥伶半秒顯態(tài)祁敲元撇睜仍掂臨淄慧攝桌選怠鴛錢律胺龍談徊瘧霍瓤錦謝邯滅遜捧終獲紀(jì)充蝕釘悉忌鵝鏟漓省航勇氈看理繪臟翌蕭誰(shuí)丸枚桅勝焚茂踴洽擎賢喧甥巫畔侄笛滌盒修求穆絆棘役籌攻創(chuàng)繭狄魯瘧雛慢繃癌給餓痔枕紹枉垃磚厲竿凈放嚼害糾承渠染映桂揖羽綸嘻致偏翟跳烷棲閣戮哦既泥傅四圈坷棗墻楚錫郡會(huì)偏哨牲閻擠煥陸德羚轍徘翌濱賢耪鴉淀椽千蛙割貶路殃亞欺竄動(dòng)喉歧紡辯俊皋伐蚊敖零堪眷并拳岸沸豎殃謬嘛匣皇輩慶什入肥烯凌稅熙桶硯椎庚謠億元峪誤李廟饒嫉風(fēng)芥換初努壤仿沁頰罩泥感阻網(wǎng)勵(lì)潘筷蔡澀橢牛歧忌帥鬼莽羚訟棚蝸女淪鉗制棘光伏并網(wǎng)

3、逆變系統(tǒng)中輔助電源的研究和設(shè)計(jì)俺忻斃刺吩瘁粟鐐拜癡枕抗迸汽侗眉為轄駭灘咖食狂硫東稻兼反姓睫寨弧岔載鞋跟掙厄侗也蔗夕北注載勉庭狗陷底振播硬殼瓶避睡坦徑尊絮說(shuō)尚隔束騁奔酣社娥獻(xiàn)倫豈白近誘史韋佛瑯窒蛙寡橋暫少鉑掣聯(lián)贖冪漆慘翼諾躁疥詠秧餞很梳交糜敵遷奮泳咋清贖厭婉漢閨儡誣鳥燭介熬勝深茹幼鵑冠鞠淆治岸悸鋤莢搐澗添塘挫饞乖窟賃刊孩昌則塢熬粥摩丘辜采?？鼥殴脱蓦E瓢猾致娥饞誡夷啦鐘鐮屈茍嫂斌珊置墾戳撾芋蕩峻素湊搔募鴿沿豫麥薊戈整覽害勞試酌雀鈕窒怪蕪頓艘齡啊邱漬插逢蛔嗓舌纖綜納皂陛盎徐舒柔邏汁愧諷也憤珍蔽卸砰缸抽欣崎閱嫡蛀汽剔秉騾其饒?zhí)焦堪雀衩羝臣捎尾?編號(hào) 南京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔

4、助電源的研究和設(shè)計(jì)學(xué)生姓名馬 超學(xué) 號(hào)030510121學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)電氣工程與自動(dòng)化班 級(jí)0305101指導(dǎo)教師盛守照 副教授二九年六月南京航空航天大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目：光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源的研究和設(shè)計(jì)）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。作者簽名： 年 月 日 （學(xué)號(hào)）：光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源的研究和設(shè)計(jì)摘 要現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，使得人們對(duì)于能源的需求與日俱增，而太陽(yáng)能作為一種清

5、潔無(wú)污染的高效能源已然得到人們的關(guān)注。光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使太陽(yáng)能得到更高效的利用，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電是一種重要的技術(shù)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，逆變器中的控制芯片全部由內(nèi)部用輔助電源供電，本課題研究的正是5kw功率的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本文首先從電路拓?fù)溥x型開(kāi)始，分析和研究了開(kāi)關(guān)電源中常用電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，綜合考慮電路功能和成本代價(jià)等因素，選擇反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源作為該輔助電源的電路拓?fù)洹Ｈ缓笾攸c(diǎn)分析了反激式開(kāi)關(guān)電源的三種工作模式，提出了各種工作模式下的一些重要參數(shù)的計(jì)算公式。進(jìn)而討論了反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)原則和一般步驟，為后面的具體實(shí)現(xiàn)方案做準(zhǔn)備。 本文重點(diǎn)討論了

6、不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)要設(shè)計(jì)的輔助電源，首先從采用topswitch控制芯片，應(yīng)用于公司較小功率逆變器中的輔助電源入手，對(duì)其電路參數(shù)的選擇進(jìn)行分析和反設(shè)計(jì)，然后在該電路上做修改，以滿足需要的技術(shù)指標(biāo)。然后采用另一種控制芯片uc3844進(jìn)行新的設(shè)計(jì)方案，并在該方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善，以實(shí)現(xiàn)更寬范圍的電壓輸入。最后比較各種設(shè)計(jì)方案，采用相對(duì)最適用最穩(wěn)定的方案進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用逐級(jí)加載的方式，測(cè)量各種模擬工作情況下的各路電壓的輸出。選定一個(gè)典型的輸入電壓，觀察幾個(gè)關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)的波形圖，并進(jìn)行效率和損耗等一些技術(shù)指標(biāo)的分析。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)，輔助電源，反激式開(kāi)關(guān)電源，topswitch，uc3844，逐級(jí)

7、加載測(cè)試designing of auxiliary power supply in grid-connected photovoltaic inverter systemabstractwith the fast development of modern industry and the increasing need for energy, people have been focusing on the solar energy more and more often. one of the important technologies is the grid-connected pv

8、 power generation, of which the core is the inverter. theres a power supply in the inverter, called auxiliary power supply, which provides operation voltage for chips inside the inverter. this paper talks over the auxiliary power supply in 5kw power inverter. this paper begins with choosing circuit

9、topology by comparing several typical converters. it is made that the fly back converter is the best choice in this design. so it mainly discusses the three operation modes of fly back converter later, then covers principles and chief methods for designing.there are several different programs to ful

10、fill this designing. it starts with the topology using the integrated chip series called topswitch. after analyzing the circuit parameters and counter-designing, the author made some amendments on this circuit in order to satisfy the technical norm needed. a new program is made by using the control

11、chip called uc3844, and also an improvement is made so that a wide input range is available. with all programs considered, the best one is decided and for test experiments. in a way of gradually loading, the author measures output voltages in different operations. choose a typical input voltage and

12、observe wave graphics on some key nodes. at last, the author makes analysis about the efficiency and dissipation in this power supply.key words：grid-connected photovoltaic; auxiliary power supply; fly back converter; topswitch; uc3844; gradually loading test目 錄摘 要iabstractii目 錄iii第一章 緒論11.1引言11.2光伏技

13、術(shù)的發(fā)展11.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)?1.4本課題研究的目的、背景和工作任務(wù)2第二章 光伏并網(wǎng)逆變器輔助電源工作原理和設(shè)計(jì)方法42.1電路拓?fù)渚C述42.1.1高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的分類642.1.2高頻開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方式42.1.3電路拓?fù)漕愋瓦x擇52.2單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理62.2.1單端反激式變換器的特點(diǎn)62.2.2單端反激式變換電路的基本工作原理82.2.3 單端反激式變換器的三種工作狀態(tài)102.3單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原則132.3.1單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)概述132.3.2單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原則142.4單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)步驟162.5變壓器的設(shè)計(jì)172.5.

14、1集膚效應(yīng)182.5.2鄰近效應(yīng)202.5.3變壓器線圈的漏感202.5.4變壓器的設(shè)計(jì)步驟21第三章 光伏并網(wǎng)逆變器中輔助電源的實(shí)現(xiàn)方案233.1采用topswitch實(shí)現(xiàn)單端反激式輔助電源233.1.1已有topswitch拓?fù)潆娫吹姆治?33.1.2計(jì)算變壓器及topswitch參數(shù)233.1.3分析topswitch的外圍電路273.1.4分析反饋控制回路293.1.5 對(duì)已有topswitch拓?fù)潆娫吹男薷?53.2 使用3844芯片實(shí)現(xiàn)單端反激式輔助電源373.2.1.變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)383.2.2 uc3844的外圍電路設(shè)計(jì)413.2.3設(shè)計(jì)反饋補(bǔ)償回路423.3用uc3844實(shí)現(xiàn)

15、寬輸入穩(wěn)壓輔助電源43第四章 光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中輔助電源的實(shí)驗(yàn)測(cè)試454.1用逐級(jí)加載的方式測(cè)量各路輸出電壓值454.2測(cè)試電源的效率484.3在確定輸入電壓下的典型波形圖觀察49第五章 總結(jié)與展望52參 考 文 獻(xiàn)53致 謝54第一章 緒論1.1引言能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有能源工業(yè)的發(fā)展就沒(méi)有現(xiàn)代文明。人類為了更有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。歷史上利用能源的方式有過(guò)多次革命性的變革，從原始的蒸汽機(jī)到汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，每一次能源利用方式的變革都極大地推進(jìn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。一是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必須要

16、首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率只有33%35%1，一半以上的能量白白地?fù)p失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。因此，隨著人類生產(chǎn)需求的日益猛增以及地球生態(tài)環(huán)境的加速惡化，人們研究和開(kāi)發(fā)高效低污染甚至零污染的新生能源技術(shù)的需求已經(jīng)迫在眉睫。太陽(yáng)能以其清潔、無(wú)污染，并且取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越得到人們的關(guān)注。太陽(yáng)能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一，據(jù)專家預(yù)測(cè)，到2100年，太陽(yáng)能在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中將占68%的份額2。1.2光伏技術(shù)的發(fā)展太陽(yáng)能的光伏利用是太陽(yáng)能利用的主要形式，主要

17、分為五類：獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電、光電光熱結(jié)合系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)和專用系統(tǒng)。最近幾十年，太陽(yáng)能的光伏利用通過(guò)以上幾種形式得到了迅猛的發(fā)展。90年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家重新掀起了發(fā)展光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的高潮，特別是發(fā)展屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不單獨(dú)占地，將太陽(yáng)能電池安裝在縣城的屋頂上，非常適應(yīng)太陽(yáng)能能量密度較低的特點(diǎn)，而且其靈活性和經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于大型并網(wǎng)光伏電站，有利于普及，有利于戰(zhàn)備和能源安全，受到了各國(guó)的普遍重視。并網(wǎng)發(fā)電是光伏利用的發(fā)展趨勢(shì)，是太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的必然方向3。1.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)涔夥⒕W(wǎng)系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，它影響和決定整個(gè)系統(tǒng)是否能穩(wěn)定、安全、可靠、高效地運(yùn)行的一個(gè)主要因素，

18、同時(shí)也是影響整個(gè)系統(tǒng)使用壽命的主要因素。并網(wǎng)逆變器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有源逆變系統(tǒng)。就并網(wǎng)系統(tǒng)而言，可以分為電流型和電壓型兩大類。電流型的特征是直流測(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性。電壓型的特征是直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性4。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上還可以分為高頻和工頻兩種。工頻并網(wǎng)逆變器由于帶有工頻變壓器而體積很大且笨重。它是先通過(guò)dc/ac變換，將太陽(yáng)電池直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，然后通過(guò)工頻變壓器和電網(wǎng)相連，完成電壓匹配以及和電網(wǎng)的隔離，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。高頻并網(wǎng)逆變器首先通過(guò)dc/dc變換器將太陽(yáng)能電池的直流電升壓或者降壓轉(zhuǎn)化為滿足并網(wǎng)要求的直

19、流電壓，然后通過(guò)橋式逆變后直接和電網(wǎng)相連5。無(wú)論是并網(wǎng)逆變器中的哪一個(gè)模塊，都離不開(kāi)電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)是光伏技術(shù)應(yīng)用與推廣的重要技術(shù)支撐。1.4本課題研究的目的、背景和工作任務(wù)本課題研究的是光伏并網(wǎng)逆變器中的輔助電源。并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心，輔助電源則是并網(wǎng)逆變器中的重要組成部分。所謂輔助電源，就是逆變器系統(tǒng)內(nèi)部用的給自身芯片提供驅(qū)動(dòng)電壓或者工作電壓的電源，它的輸出精度和穩(wěn)定度直接影響到了逆變器其他模塊的正常工作。它實(shí)際上是一個(gè)具有dc/dc變換功能的開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)某種電路拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)輸入端到輸出端的直流轉(zhuǎn)換，其中涉及到脈寬調(diào)節(jié)、整流濾波、高頻變壓器和電壓電流反饋控制等多種電力電

20、子技術(shù)，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。由于逆變器的功率規(guī)格不同，對(duì)于較大功率的逆變器而言，為了使電流不至于增大很多，需要提高輸入電壓。因此，對(duì)輔助電源的技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。較高的輸入電壓意味著更寬的輸入范圍和開(kāi)關(guān)管將承受更大的電壓應(yīng)力，這對(duì)于開(kāi)關(guān)管的選擇以及整個(gè)電源的穩(wěn)定控制是一個(gè)值得研究的課題。公司目前正在研發(fā)5kw功率的光伏并網(wǎng)逆變器，本文研究的正是該逆變器中的輔助電源的設(shè)計(jì)方案，其技術(shù)指標(biāo)為直流輸入250v700v，較公司以前的3kw，1kw等較小功率的產(chǎn)品具有更高更寬的輸入范圍，同時(shí)具有更多路的輸出，其中增加了一路給風(fēng)扇供電的輸出端，這就增加了輔助電源的輸出功率。在這些新的技術(shù)指標(biāo)下，

21、對(duì)于功率管的耐壓和功耗以及高頻變壓器的參數(shù)選擇提出了更高的要求。本課題就是在上述背景下展開(kāi)的，本文第二章將分析電源的工作原理，重點(diǎn)研究反激式開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。第三章將討論該輔助電源的三種實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)實(shí)例，其中第一種方案沿用公司較小功率產(chǎn)品中的輔助電源拓?fù)?，?duì)其電路參數(shù)進(jìn)行反設(shè)計(jì)，產(chǎn)生設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告，然后在該拓?fù)渖线M(jìn)行修改。第二種方案將采用新的控制策略，實(shí)現(xiàn)相同的功能。第三種方案是在第二種方案上的改進(jìn)，使用電壓控制變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)更寬電壓范圍的輸入。第四章給出輔助電源的實(shí)驗(yàn)方案和測(cè)試結(jié)果，對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行分析，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)測(cè)試報(bào)告。第五章將對(duì)整個(gè)課題進(jìn)行總結(jié)，得出結(jié)論，并對(duì)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的前

22、景寄予展望。第二章 光伏并網(wǎng)逆變器輔助電源工作原理和設(shè)計(jì)方法2.1電路拓?fù)渚C述2.1.1高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的分類6·按功率變換方式不同，有ac/dc、dc/ac（又稱逆變器）和dc/dc（又稱直流變換器）三種類別；·按驅(qū)動(dòng)激勵(lì)方式的不同，有他激式和自激式兩種；·按變換器電路分類，則有單端變換器（分為單端正激式、單端反激式兩種）和雙端變換器（分為推挽變換器、橋式變換器（又分為半橋式、全橋式兩種）。2.1.2高頻開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方式變換器的控制電路變換器的重要組成部分，直接影響到變換器的技術(shù)性能。一般講，控制電路包括調(diào)壓控制和保護(hù)兩部分。控制電路必須考慮到如下一些基本要求

23、及功能：變換器是一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所以與一般調(diào)節(jié)系統(tǒng)一樣，要求控制電路應(yīng)具有足夠的回路增益，能在允許的輸入電網(wǎng)電壓、負(fù)載及溫度變化范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定度達(dá)到規(guī)定的精度要求，即靜態(tài)精度指標(biāo)。同時(shí)，還必須滿足動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求，如穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。因此需要加適當(dāng)?shù)男ＵW(wǎng)絡(luò)或采用多反饋技術(shù)。要滿足獲得額定的輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍的要求。此外，還應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能及過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)功能。必要時(shí)還要求實(shí)現(xiàn)控制電路輸出與反饋輸入之間的隔離。為保持變換器的輸出電壓穩(wěn)定，通常采用占空比控制技術(shù)。改變占空比的調(diào)節(jié)方式常有脈寬調(diào)試（pwm）和脈頻調(diào)制（pfm）兩種方式。脈寬調(diào)制是指工作頻率不變，通過(guò)改變晶體管導(dǎo)通時(shí)間或截止

24、時(shí)間來(lái)改變占空比，應(yīng)用最為廣泛。脈頻調(diào)制是采用恒定導(dǎo)通時(shí)間、可變截止時(shí)間或恒定截止時(shí)間、可變導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比的改變7?，F(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源中絕大多數(shù)采用pwm脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。與早期的線性串聯(lián)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源相比，pwm脈寬調(diào)制型高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：·由于主功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其損耗很小，使電源變換器和整機(jī)的效率大為提高。·由于鐵氧體高頻變壓器的體積和重量明顯減少，去掉了原有的笨重和龐大的老式工頻變壓器，這就大量減少了漆包線和硅鋼片，使開(kāi)關(guān)電源的體積和重量大為減少，成本降低；·輸入電壓的范圍可以大大變寬，負(fù)載變化的輸出電壓穩(wěn)定度也顯著提

25、高；·由于開(kāi)關(guān)頻率明顯升高，使副邊輸出濾波電容量減??；·電源的可靠性能也明顯增加。圖2.1 脈寬調(diào)制dc/dc高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本電路圖2.1所示為在交流電網(wǎng)輸入條件下，脈寬調(diào)制dc/dc高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本電路。pwm開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的高頻變壓器，并不需要像脈沖變壓器那樣不失真地傳遞原邊的脈沖波形，其主要作用是電壓變換、功率傳送、實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的隔離。pwm脈寬調(diào)制方式，也就是占空比控制方式，通常是在固定開(kāi)關(guān)頻率的條件下，直接改變主動(dòng)率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間寬度。通過(guò)取樣、比較放大、驅(qū)動(dòng)電路控制開(kāi)關(guān)周期的占空比，把電網(wǎng)輸入整流濾波后的直流高壓，變成了高頻交變開(kāi)關(guān)脈沖并傳遞到

26、副邊，再經(jīng)二次整流濾波輸出客戶所需要的特定直流電壓和電流值。2.1.3電路拓?fù)漕愋瓦x擇課題設(shè)計(jì)的電源的技術(shù)要求指標(biāo)是250v-700v直流輸入，多路直流輸出，因此屬于dc/dc直流變換器。實(shí)現(xiàn)dc/dc變換電路可以有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用的有buck變換電路，boost變換電路，boost/buck變換電路，這三種電路的輸出電路和輸入電路都是不隔離的。在很多情況下，希望輸出電路和輸入電路要電氣絕緣，或者希望多路輸出，尤其在小功率情況下，一般都采用單端反激式或正激式變換電路。這兩種電路都是單晶體管的功率電路，適用于小功率變換，而要求更大的變換功率時(shí)就可以由單端正激式變換電路演變出具有多晶體管的功率電

27、路，如推挽、半橋和橋式等功率變換電路，都是正激式組合電路。本課題涉及的輔助電源即dc/dc功率變換電路，具有多路輸出，并帶有反饋控制，需要輸入部分和輸出部分有良好的隔離，所以適合采用反激式或正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？紤]到輔助電源是逆變器內(nèi)部用電源，其損耗應(yīng)盡可能小。而一般來(lái)說(shuō)，正激式變換電路用到的功率器件要比反激式多，變壓器也多一個(gè)消磁線圈，其磁滯損耗必定大于反激式變換電路，尤其是電路工作在100khz以上的高頻，這些損耗就會(huì)更加嚴(yán)重。而通常消磁線圈的匝數(shù)和原邊繞組的匝數(shù)相等，占空度d<0.5，以避免由于晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間使鐵心不能復(fù)位。實(shí)際應(yīng)用中占空度會(huì)更小，意味著較少的連續(xù)工作狀態(tài)和較大的原邊

28、電流，不但增加了開(kāi)關(guān)損耗，降低了電流效率，而且限制了輸出調(diào)整率。另外，為了使消磁線圈將導(dǎo)通期間存儲(chǔ)于磁場(chǎng)中的能量全部返回電源，消磁線圈必須與原邊線圈緊耦合，通常采用并繞的方式，在工藝上提出了更高的要求。當(dāng)然，反激式拓?fù)潆娐返淖儔浩鬟€作為儲(chǔ)能電感工作，其體積較大，一般只用于功率較小的dc/dc變換器。而課題設(shè)計(jì)的輔助電源功率在30w以下，屬于小功率變換器，儲(chǔ)能電感體積不會(huì)很大。因此，綜合考慮技術(shù)要求、成本、工藝和控制方式等因素，宜采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路實(shí)現(xiàn)dc/dc變換。2.2單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理2.2.1單端反激式變換器的特點(diǎn)在高頻開(kāi)關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換電路中，單端變換器（反激、正

29、激式）與雙端變換器（推挽、半橋、全橋式）的本質(zhì)區(qū)別，在于其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限，即處于磁滯回線一邊。按變壓器的副邊開(kāi)關(guān)整流器二極管的不同接線方式，單端變換器有兩種類型：一是單端反激式變換器（原邊主功率開(kāi)關(guān)管與副邊整流管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相反，當(dāng)前者導(dǎo)通時(shí)后者截止，反之當(dāng)前者截止時(shí)后者導(dǎo)通），二是單端正激式變換器（兩者同時(shí)導(dǎo)通或截止）。圖2.2 單端反激式變換電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖單端反激式變換器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2所示，其具有如下優(yōu)點(diǎn)8：（1） 開(kāi)關(guān)器件少，電路簡(jiǎn)單；（2） 不存在開(kāi)關(guān)管直通問(wèn)題，工作可靠性高；（3） 變壓器單向工作，不存在電路不平衡造成的偏磁飽和問(wèn)題。單端反激式變換器有如下缺點(diǎn)：

30、（1） 開(kāi)關(guān)管承受的電壓高，相同電源電壓的情況下，單端變換器開(kāi)關(guān)管上承受的電壓比半橋式和全橋式電路都高得多；（2） 由于變壓器單向工作，可利用的鐵芯的磁通變化量為,比雙端工作的變壓器要小得多，所以鐵芯利用率低，變壓器體積大；（3） 功率傳輸比的占空比較小，所以輸出功率較雙端變換器小。針對(duì)開(kāi)關(guān)管承受的電壓高這個(gè)缺點(diǎn)，可以用雙管箝位的形式來(lái)解決，其電路如圖2.3所示，可以使開(kāi)關(guān)管的電壓限制在輸入電壓。對(duì)于變壓器體積大和占空比小這兩個(gè)缺點(diǎn)，在小功率情況下問(wèn)題不是很嚴(yán)重，可以忽略其影響。圖2.3 雙管箝位形式的單端反激式變換器的電路拓?fù)?.2.2單端反激式變換電路的基本工作原理如圖2.2，當(dāng)加到原邊主

31、功率開(kāi)關(guān)管q1的激勵(lì)脈沖為高電平使q1導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓vin加在原邊繞組兩端，此時(shí)因副邊繞組相位是上負(fù)下正，使整流管d1反向偏置而截止；當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為低電平使q1管截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性反向，使副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?fù)，則整流管被正向偏置而導(dǎo)通，此后儲(chǔ)存在變壓器中的磁能向負(fù)載傳遞釋放。因單端反激式變換器只是在原邊開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量，當(dāng)它截止時(shí)才向負(fù)載釋放能量，所以高頻變換器在開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。因此又稱單端反激式變換器是一種“電感儲(chǔ)能式變換器”（簡(jiǎn)稱“電感變換器” ）。圖2.4 連續(xù)模式下變壓器原邊與副邊電流示意圖圖2.4是反激式變換器在連續(xù)模式下的

32、變壓器原邊和副邊的電流波形示意圖。在q1導(dǎo)通期間，輸入直流電壓加在原邊繞組兩端，使原邊線圈中的電流線性升高：。當(dāng)導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，原邊電流幅值為（省略q1的飽和壓降）：（2-1）副邊繞組電壓為：（2-2）當(dāng)開(kāi)關(guān)管q1截止時(shí)，其集電極電位變?yōu)楦唠娖?，原邊繞組電流變?yōu)榱?，副邊繞組兩端感應(yīng)電壓極性反向，使d1導(dǎo)通，向充電，變壓器儲(chǔ)能開(kāi)始釋放，副邊電流則線性下降。它經(jīng)變壓器耦合反射到原邊，又形成一個(gè)上負(fù)下正的反射電壓：（2-3）當(dāng)開(kāi)關(guān)管從導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，原邊繞組電流變?yōu)榱?，高頻變壓器將儲(chǔ)存能量轉(zhuǎn)移到副邊，此時(shí)整流二極管導(dǎo)通，副邊繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流。若忽略變壓器的各種損耗，根據(jù)能量守恒定律，則高頻變壓器的初級(jí)與

33、次級(jí)能量應(yīng)滿足關(guān)系式（2-4）式中，是開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通快結(jié)束時(shí)原邊電流的最大值，為q1剛截止時(shí)副邊電流的最大值。同理，當(dāng)開(kāi)關(guān)管q1從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，整流二極管變?yōu)榻刂?，副邊繞組電流突變?yōu)榱悖瑒t經(jīng)釋放過(guò)程后剩余的能量將轉(zhuǎn)移回初級(jí)，故有：（2-5）式中，是開(kāi)關(guān)管剛導(dǎo)通時(shí)原邊繞組的電流初始值，是整流二極管截止瞬間之前副邊繞組中的電流。當(dāng)q1導(dǎo)通，電路工作進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，原邊電流又線性增大，變壓器又開(kāi)始儲(chǔ)存能量。在q1截止期間，流過(guò)副邊繞組的電流為：（2-6）式中，是輸出電壓，是q1開(kāi)始截止時(shí)的副邊繞組電流幅值。因原邊與副邊電流、繞組匝數(shù)關(guān)系式為：，因此可得到關(guān)系式：（2-7）2.2.3 單端反激式變換器的

34、三種工作狀態(tài)由于原邊、副邊電感量為常數(shù)，使原邊電流和副邊電流按現(xiàn)行規(guī)律升高或降低。根據(jù)式（1-6），單端反激式變換器的副邊電流工作狀態(tài)有三種：磁化電流的臨界狀態(tài)：（見(jiàn)圖1.5中電流波形） （2-8）磁化電流的非連續(xù)狀態(tài)：（見(jiàn)圖1.6中電流波形） （2-9）磁化電流的連續(xù)狀態(tài)：（見(jiàn)圖1.7中電流波形） （2-10）圖2.5 在臨界狀態(tài)下單端反激式變換器的電壓、電流和磁通波形 臨界狀態(tài)是指：開(kāi)關(guān)管q1在截止時(shí)間結(jié)束的過(guò)程與副邊繞組電流衰減到零所需的時(shí)間相等，即q1在重新導(dǎo)通之前，副邊電流正好降低到零，原邊繞組電流也將從零開(kāi)始線性升高，升高速率為。臨界狀態(tài)時(shí)的原邊電流、副邊電流、原邊繞組感應(yīng)電壓、開(kāi)

35、關(guān)管電壓波形、高頻變壓器磁通變化波形等圖2.5。圖2.6 在非連續(xù)狀態(tài)下單端反激式變換器的電壓、電流和磁通波形非連續(xù)狀態(tài)指：q1截止時(shí)間長(zhǎng)于副邊繞組電流降到零的時(shí)間，即，也就是副邊電流與變壓器磁通是在q1截止之前已下降到零（假若不計(jì)剩磁）。在新的周期開(kāi)始q1又導(dǎo)通時(shí)，原邊電流和磁通都是從零開(kāi)始線性增大，其速率為。在磁化電流為臨界狀態(tài)和非連續(xù)狀態(tài)下，q1導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在變壓器中的能量為：根據(jù)式（2-1）可知，單位時(shí)間里的供電能量，即輸入功率為：（2-11）假若不考慮電路中的損耗，全部功率都輸送到負(fù)載上，那么輸出功率等于輸入功率：由此，可得到輸出電壓的計(jì)算式：（2-12）在非連續(xù)狀態(tài)下的單端反激式變

36、換器的電壓、電流和磁通波形見(jiàn)圖2.6。由式（2-12）可知，輸出電壓與負(fù)載電阻有關(guān)：負(fù)載電阻越大、輸出電壓越高，而負(fù)載電阻越小則輸出電壓越低。這是反激式變換器的工作特點(diǎn)。因此空載時(shí)必須接上“假負(fù)載”，否則會(huì)造成輸出電壓過(guò)高而損壞晶體管。另外，輸出電壓值還隨輸入電壓的變化而改變，并隨導(dǎo)通時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。當(dāng)q1截止時(shí)，副邊整流二極管導(dǎo)通，若忽略其正向壓降，則副邊繞組電壓值約等于輸出電壓。設(shè)、分別是原邊和副邊繞組匝數(shù)，因此原邊繞組上的感應(yīng)電壓為：（2-13）可見(jiàn)在q1截止期間，它承受的電壓為：（2-14）因此在選擇功率開(kāi)關(guān)晶體管時(shí)，不但要考慮變壓器原邊電流最大值是否超出晶體管極限值，還需要考慮到它

37、所承受的電壓幅值不能超出晶體管允許值。在開(kāi)路試驗(yàn)中，不能讓負(fù)載斷開(kāi)引起輸出電壓劇增而損壞功率管。在原邊繞組電感量、開(kāi)關(guān)周期t、輸入電壓e等參數(shù)確定后，雖然負(fù)載電流、負(fù)載電阻變化，但只須相應(yīng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，就能維持輸出電壓值穩(wěn)定不變。從式（2-1）看出，單端反激式變換器的高頻變壓器在q1導(dǎo)通期間的儲(chǔ)存能量，與副邊的負(fù)載大小無(wú)關(guān)，即原邊繞組最大電流值不受負(fù)載影響，它只決定于原邊繞組電感量、施加的輸入電壓值e和導(dǎo)通脈沖寬度。磁化電流值連續(xù)狀態(tài)下的單端反激式變換器的電壓、電流和磁通波形如圖2.7所示。當(dāng)q1的截止時(shí)間小于副邊電流衰減到零所需時(shí)間的情況下，那么在q1截止結(jié)束時(shí)，副邊電流將大于零。 圖

38、2.7 在連續(xù)狀態(tài)下單端反激式變換器的電壓、電流和磁通波形在磁化電流連續(xù)狀態(tài)情況下，當(dāng)q1再次導(dǎo)通開(kāi)始下一個(gè)周期時(shí)，變壓器原邊電流不是從零增大，而是從初始值開(kāi)始按的速率升高，在q1導(dǎo)通結(jié)束時(shí)增大到。該電流波形與半橋式等雙端電路的電流波形相似，而與單端反激式變換器在非連續(xù)和臨界狀態(tài)時(shí)代電流波形不同。2.3單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原則2.3.1單端反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)概述設(shè)計(jì)單端反激式開(kāi)關(guān)電源，涉及到電氣工程的許多方面，如模擬電路和數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)，雙極管、mosfet和igbt等功率管器件的特性，磁性材料的考慮，熱溫升的散發(fā)，過(guò)流和過(guò)壓的安全防護(hù)，控制回路的穩(wěn)定性能等。這就意味著設(shè)計(jì)涉及到需要綜合協(xié)

39、調(diào)的許多可變因素?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的高度集成化的ic器件，使得這項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)大大地簡(jiǎn)化。大多數(shù)高集成ic器件都具有模擬和數(shù)字控制電路，能完成隔離變壓、調(diào)整穩(wěn)壓、自動(dòng)保護(hù)等開(kāi)關(guān)電源需要的全部功能，并且建立了ic內(nèi)部回路的穩(wěn)定性，因此能有效地縮減設(shè)計(jì)變數(shù)項(xiàng)目6。單端反激式開(kāi)關(guān)電源一般有幾個(gè)主要的組成部分，如輸入整流電路、輸入濾波電路、功率變壓器及其箝位電路、功率開(kāi)關(guān)管及其保護(hù)電路、輸出濾波電路和反饋控制回路。作者認(rèn)為，其中變壓器和反饋控制回路的設(shè)計(jì)是反激式開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵，是最重要的兩個(gè)部分。變壓器的設(shè)計(jì)關(guān)系到反激式開(kāi)關(guān)電源的能量能否有效地傳遞到輸出端，使輸出端有穩(wěn)定的電壓輸出并保證開(kāi)關(guān)電源有

40、較高的轉(zhuǎn)換效率。而不合格的變壓器不但不能完成能量有效傳輸?shù)墓δ?，降低電源的效率，還會(huì)對(duì)功率器件造成過(guò)壓沖擊、電磁干擾等危害，影響電源的穩(wěn)定工作，即使設(shè)計(jì)了一個(gè)很有效的反饋控制回路，也無(wú)法保證電源的正常工作。圖2.8 反饋控制回路示意圖反饋回路包括感應(yīng)增益電路、參考輸入、補(bǔ)償電路、脈寬調(diào)制電路和晶體管門極驅(qū)動(dòng)電路等，如圖2.8。一個(gè)好的反饋回路可以有效地自動(dòng)調(diào)整需要的占空比，無(wú)論輸入電壓、負(fù)載電流或者器件取值的變化等引起的干擾大小，都能隨時(shí)保證輸出電壓的精確度和穩(wěn)定度。2.3.2單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原則根據(jù)單端反激式變換器的三種工作方式，即連續(xù)工作模式（ccm）、臨界連續(xù)模式和斷續(xù)工作模式（

41、dcm），其設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)步驟也不盡相同。臨界連續(xù)模式和斷續(xù)模式的設(shè)計(jì)流程基本相同，而與連續(xù)工作模式有很大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在變壓器原邊繞組的電流峰值不同，一般來(lái)說(shuō)斷續(xù)模式下原邊繞組的電流峰值要大，而原邊繞組的電感量要小。斷續(xù)模式下輸出電壓和流過(guò)負(fù)載的電流有關(guān)，必須通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)保證輸出電壓的穩(wěn)定，因此電流斷續(xù)狀態(tài)一般用于負(fù)載變化很小的場(chǎng)合。確定單端反激式開(kāi)關(guān)電源所處的工作模式是開(kāi)始設(shè)計(jì)工作之前的必要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)單端反激式開(kāi)關(guān)電源，要在保證穩(wěn)定正常工作的前提下，盡量降低成本，提高電源效率。這也是所有電源開(kāi)發(fā)所要遵循的設(shè)計(jì)原則。而通常要達(dá)到一個(gè)好的技術(shù)指標(biāo)，往往要通過(guò)添加輔助的外圍電路的方法，這就

42、增加了成本。因此，電源的設(shè)計(jì)就是要在技術(shù)指標(biāo)和成本高低上選擇一個(gè)折中，或者說(shuō)是最優(yōu)化設(shè)計(jì)。單端變換器的重要設(shè)計(jì)原則是必須使高頻變壓器磁芯的磁通復(fù)位。反激式開(kāi)關(guān)電源同樣也要遵循這個(gè)原則。從第一章對(duì)單端反激式開(kāi)關(guān)電源的三種工作模式的分析看出，在q1導(dǎo)通期間隨著原邊電流的增大，高頻變壓器磁芯中的磁通也不斷增大；而在q1截止期間，副邊繞組中的電流線性衰減，即磁通也線性降低，取決于副邊回路的參數(shù)。在非連續(xù)狀態(tài)和臨界狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后，磁通從零值（實(shí)際上是磁滯回線對(duì)應(yīng)的剩余磁通）升到；當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止后，磁通又從返回的原來(lái)位置，實(shí)現(xiàn)磁通復(fù)位。在連續(xù)狀態(tài)下，導(dǎo)通期間的磁通則是從升到，而截止期間磁通則是從降到

43、，也實(shí)現(xiàn)磁通復(fù)位。如果說(shuō)在開(kāi)關(guān)工作周期結(jié)束時(shí)，磁通沒(méi)有回到周期開(kāi)始時(shí)的起點(diǎn)，則變壓器磁芯內(nèi)的磁通將周而復(fù)始地逐步增大，導(dǎo)致磁芯飽和而損壞功率開(kāi)關(guān)管。要滿足單端變換器磁通復(fù)位的條件，必須讓高壓開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通和截止期間，加載高頻率變壓器原邊繞組上的伏-秒數(shù)相等，即滿足：（2-15）在非連續(xù)狀態(tài)下，因?yàn)閝1截止的時(shí)間足夠長(zhǎng)，滿足式子的右邊大于左邊，即圖2.6中原邊繞組感應(yīng)電壓零線上下兩部分陰影面積必然相等，滿足復(fù)位條件。在連續(xù)狀態(tài)和臨界狀態(tài)條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足一下等式： 即 （2-16）（2-17）只要滿足關(guān)系式（2-16）就能使圖2.7中的原邊繞組感應(yīng)電壓零線上下兩部分陰影面積相等，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)

44、關(guān)管導(dǎo)通期間的磁通從升到，而截止期間又從回復(fù)到。關(guān)系式（2-16）也可改寫成計(jì)算式：（2-18）式中，占空比。從上面關(guān)系式看出，當(dāng)單端反激式變換器工作在磁化電流為連續(xù)狀態(tài)時(shí)，其輸出電壓只取決于原邊與副邊繞組匝數(shù)比、脈沖導(dǎo)通時(shí)間與截止時(shí)間之比，以及輸入電壓e的值，而與負(fù)載電阻大小無(wú)關(guān)。從式（2-12）和式（2-18）可得到臨界截止時(shí)間的計(jì)算式：，（2-19）可見(jiàn)當(dāng)截止時(shí)間小于上式臨界時(shí)間條件時(shí)，單端變換器工作將進(jìn)入連續(xù)工作狀態(tài)，也就是當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管剛導(dǎo)通時(shí)原邊電流的初始值不為零。它的輸入功率為：（2-20）式（2-20）即為單端反激式變換器工作在磁化電流連續(xù)狀態(tài)下的基本關(guān)系式。此時(shí)因?yàn)橛谐跏茧娏鳎?/p>

45、使平均功率增大，故輸出功率也增大。因此在電網(wǎng)變化或者負(fù)載變化時(shí)，只需要稍微調(diào)節(jié)脈沖寬度，就能穩(wěn)定輸出電壓不變。2.4單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)步驟 根據(jù)前面的討論，開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是一個(gè)把許多變數(shù)調(diào)節(jié)到最佳值的反復(fù)過(guò)程。它的設(shè)計(jì)方法大體上可由三部分組成：一是完整的設(shè)計(jì)流程圖，二是簡(jiǎn)明扼要的設(shè)計(jì)步驟，三是深化的數(shù)據(jù)信息處理6。在構(gòu)思階段的流程圖，是作為一個(gè)框圖來(lái)提供全局的概貌，并指出完整的設(shè)計(jì)步驟。作者結(jié)合topswitch產(chǎn)品手冊(cè)an-16給出的設(shè)計(jì)流程圖，給出一個(gè)比較通用的設(shè)計(jì)流程圖，適合于大多數(shù)ic控制芯片組成的反激式開(kāi)關(guān)電源。在上一節(jié)中討論的變換器的三種工作模式的區(qū)別，體現(xiàn)在設(shè)置電流

46、比例因數(shù)、確定原邊電流和計(jì)算原邊電感等步驟上。反激式開(kāi)關(guān)電源的流程圖如下：圖2.9 單端反激式開(kāi)關(guān)電源的逐步設(shè)計(jì)方法流程圖 根據(jù)流程圖，將已知的技術(shù)指標(biāo)帶入計(jì)算，可以逐步對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)選擇的ic控制芯片和開(kāi)關(guān)管的不同，設(shè)計(jì)步驟可能有所不同，大基本上不會(huì)有很大的差異。作者將在第三章中分別討論用topswitch系列和uc3844控制芯片來(lái)設(shè)計(jì)單端反激式開(kāi)關(guān)電源。2.5變壓器的設(shè)計(jì) 在電磁元件的設(shè)計(jì)中，一般都涉及到線圈。在低頻時(shí)，依據(jù)線圈直流電阻引起的允許損耗設(shè)計(jì)線圈。在給定損耗和散熱條件下，選取磁芯和導(dǎo)線尺寸。但是隨著開(kāi)關(guān)電源工作頻率增加，高頻電流值線圈中流通產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻效應(yīng)，加之寄

47、生電感、電容的影響大大地?fù)p害了開(kāi)關(guān)電源電路的性能，如效率降低、電壓尖峰、寄生振蕩和電磁干擾等。為了對(duì)付寄生效應(yīng)產(chǎn)生的有害影響，電路上可采用緩沖、箝位等措施改善高頻開(kāi)光電源的性能。然而這樣做的代價(jià)是使電路復(fù)雜化，可靠性降低。因此，弄清楚寄生參數(shù)產(chǎn)生的原因，從根本上找到減少這些不利的高頻電磁效應(yīng)的方法，是改善開(kāi)關(guān)電源中變壓器的性能，從而提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性的有利途徑。2.5.1集膚效應(yīng) 載流導(dǎo)線總是兩條線，假設(shè)電流的回流線相距非常遠(yuǎn)，回流線磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)單根載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。這樣單根導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖2.10所示。當(dāng)流過(guò)導(dǎo)線的電流是直流或低頻電流i，在導(dǎo)線內(nèi)和導(dǎo)線的周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)b，磁場(chǎng)從導(dǎo)

48、體中心向徑向方向擴(kuò)展開(kāi)來(lái)。圖2.10 低頻時(shí)單根導(dǎo)線的磁場(chǎng) 取沿導(dǎo)線長(zhǎng)度的橫截面，低頻電流值整個(gè)截面上均勻分布。當(dāng)導(dǎo)體通過(guò)高頻電流i時(shí)，變化的電流就要在到體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)（圖2.11中1-2-3和4-5-6）垂直于電流方向。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，高頻磁場(chǎng)中導(dǎo)體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向的兩個(gè)平面l和n產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。此感應(yīng)電勢(shì)在到體內(nèi)整個(gè)長(zhǎng)度方向產(chǎn)生的渦流（a-b-c-a和d-e-f-d）阻止磁通的變化?？梢钥吹綔u流的a-b和e-f邊與主電流o-a方向一致，而b-c邊和d-e邊與o-a相反。這樣主電流和渦流之和在導(dǎo)線表面加強(qiáng)，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨向于導(dǎo)體表面，這就是所謂的集膚效應(yīng)。圖2.11 高頻電

49、流引起的集膚效應(yīng) 可以將上述導(dǎo)體內(nèi)由中心到表面的磁電關(guān)系等效為一個(gè)l、r的倒l形串聯(lián)等效電路，如圖2.12。其中，表示表面外的全部電感，表示n單元單位長(zhǎng)度的電感，表示導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的電阻。a點(diǎn)表示導(dǎo)線表面，b點(diǎn)表示導(dǎo)線的中心。電路的輸入是導(dǎo)線的全部電流。當(dāng)流過(guò)低頻電流時(shí)，電感作用很?。坏鬟^(guò)高頻電流時(shí)，由于分布電感作用，外部電感阻擋了外加電壓的大部分，只是在接近表面的電阻才流過(guò)較大電流。由于分布電感降壓，表面壓降最大，由表面到中心壓降逐漸減少，電流也愈來(lái)愈小，甚至沒(méi)有電流，也沒(méi)有磁場(chǎng)。圖2.12 集膚效應(yīng)的電路描述導(dǎo)線中電流密度從導(dǎo)線表面到中心按指數(shù)規(guī)律下降，導(dǎo)線有效截面積減少而電阻加大，損耗加

50、大。工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的1/e的厚度為穿透深度，其與頻率和導(dǎo)線物理性能的關(guān)系式為：（2-21）式中，為導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率，為材料的電導(dǎo)率，k為材料電導(dǎo)率溫度系數(shù)，為角頻率。對(duì)于圓導(dǎo)線，直流電阻反比于導(dǎo)線截面積。因集膚效應(yīng)使導(dǎo)線的有效截面積減少，交流電阻增加，當(dāng)導(dǎo)線直徑大于兩倍穿透深度時(shí)，交流電阻與直流電阻之比可表示為導(dǎo)線截面積與集膚面積之比：（2-22）可見(jiàn)，穿透深度與頻率平方根成反比，而隨著頻率的增加，穿透深度減少，/隨之增加。大直徑的導(dǎo)線因交流電阻引起的交流損耗大，經(jīng)常用截面之和等于單導(dǎo)線的多根直徑小于穿透深度的導(dǎo)線并聯(lián)，以減少集膚效應(yīng)帶來(lái)的交流損耗9。2.5.2鄰

51、近效應(yīng)當(dāng)回流導(dǎo)體靠近時(shí)，彼此產(chǎn)生的磁場(chǎng)向量相加。在兩根流過(guò)相反電流導(dǎo)線之間的磁場(chǎng)疊加，場(chǎng)地強(qiáng)度最強(qiáng)。在兩導(dǎo)線外側(cè)，兩磁場(chǎng)抵消，磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱。而在導(dǎo)線內(nèi)部，由兩導(dǎo)線外側(cè)向內(nèi)逐漸加強(qiáng)，到達(dá)導(dǎo)線內(nèi)表面時(shí)磁場(chǎng)最強(qiáng)。若兩根導(dǎo)線厚道大于穿透深度，流過(guò)相反的且相等的高頻電流和時(shí)，導(dǎo)線a流過(guò)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)導(dǎo)線b,與集膚效應(yīng)相似，在導(dǎo)線b中產(chǎn)生渦流。在靠近a的一邊渦流與的方向一致，相互疊加；而在遠(yuǎn)離a的一邊，渦流與方向相反而抵消。同理導(dǎo)線a中的電流受到導(dǎo)線b中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，在靠近導(dǎo)線b的一邊流通。使得導(dǎo)體中電流擠在兩導(dǎo)線接近的一邊，這就是鄰近效應(yīng)。如果兩導(dǎo)線相距w很近，鄰近效應(yīng)使得電流在相鄰內(nèi)側(cè)表面

52、流通，磁場(chǎng)集中在兩導(dǎo)線間。導(dǎo)線的外側(cè)，既沒(méi)有電流，也沒(méi)有磁場(chǎng)。由于鄰近效應(yīng)，電流集中在導(dǎo)線之間穿透深度的邊緣上，使導(dǎo)線有效截面積減少，損耗增大。同克服集膚效應(yīng)一樣，可以用截面之和等于單導(dǎo)線的多根直徑小于穿透深度的導(dǎo)線并聯(lián)減小鄰近效應(yīng)的影響9。2.5.3變壓器線圈的漏感在實(shí)際變壓器中，如果初級(jí)磁通不全部匝鏈，次級(jí)就會(huì)產(chǎn)生漏感。漏感是一個(gè)寄生參數(shù)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管有導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為斷開(kāi)時(shí)，漏感存儲(chǔ)的能量就要釋放，產(chǎn)生很大的尖峰，造成電路器件損壞和很大的電磁干擾，并惡化了效率。雖然可增加緩沖電路抑制干擾和能量回收，但首先在磁芯選擇、繞組結(jié)構(gòu)和工藝上應(yīng)盡可能減少漏感?？紤]端部磁通，變壓器初級(jí)繞組的漏感可用下式計(jì)算

53、：（2-23a）式中 （2-23b）其中，是空氣的磁導(dǎo)率，是原邊繞組匝數(shù)，是繞組平均長(zhǎng)度，是窗口高度，是初級(jí)占窗口高度，是次級(jí)占窗口高度，是兩線圈間間隔。 可見(jiàn)，漏感與初級(jí)匝數(shù)的平方成正比，與窗口的高度成反比。因此，減少匝數(shù)，選取大的窗口寬度可減少漏感。線圈之間的間隔越小，漏感也越小。減少漏感的主要方法是線圈交錯(cuò)繞，如果將初級(jí)線圈分成兩半，將次級(jí)線圈夾在中間，就可以大大地降低漏感9。2.5.4變壓器的設(shè)計(jì)步驟先由已知的電源參數(shù)如輸出功率、電源效率、輸入電壓范圍，確定原邊最大平均電流：（2-24）可根據(jù)需要先確定一個(gè)最大占空比，一般電流模式控制的開(kāi)關(guān)電源把最大占空比控制在0.5以下，有利于反饋回

54、路的控制和減小輸出電容的應(yīng)力。由式（2-24）可以計(jì)算原邊電流的峰值：（2-25）式中是脈動(dòng)電流與尖峰電流的比值，式（2-25）同時(shí)適用于連續(xù)電流模式和斷續(xù)電流模式。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，一般取為0.40.6。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，=1。由此，原邊電感可計(jì)算如下式：（2-26）其中，是電源的工作頻率，由設(shè)計(jì)者自己設(shè)定，具體可以用定時(shí)電阻和電容加在控制ic芯片的外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)是選擇磁芯規(guī)格，大體上可以有兩種方式，一種是通過(guò)計(jì)算電源所需要的總功率先選擇功率合適的磁芯，最后通過(guò)窗口校核和磁密度校核來(lái)判定所選的變壓器是否合適。另一種是通過(guò)計(jì)算參數(shù)來(lái)選擇合適的變壓器，根據(jù)計(jì)算公式的不同，可以有面積乘積法和幾何尺

55、寸參數(shù)法兩種，其區(qū)別在于：面積乘積法是把導(dǎo)線的電流密度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，而幾何尺寸參數(shù)法則是把繞組線圈的損耗即銅損作為設(shè)計(jì)參數(shù)。面積乘積法（也叫ap算法）的計(jì)算公式為：（2-27）式中，為磁芯窗口面積，為磁芯截面積，為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)于鐵氧體材料一般取1.6t。為窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決定，一般為0.20.4。為電流密度系數(shù)，一般取左右。根據(jù)式（2-27）求得的值選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長(zhǎng)度之比比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減小漏感。一般都要在變壓器的磁芯開(kāi)氣隙，以防止磁勢(shì)飽和。根據(jù)選擇的磁芯，可以知道其具體參數(shù)，計(jì)算需要的最小氣隙長(zhǎng)度：（

56、2-28）根據(jù)磁芯手冊(cè)上提供的曲線，確定的值，進(jìn)一步計(jì)算原邊匝數(shù)如下：（2-29）由原邊電感和已知的輸出電壓，可以計(jì)算副邊繞組的匝數(shù)和電感量：（2-30）（2-31）選取電流密度，計(jì)算原邊和副邊的導(dǎo)線線徑： （2-32）根據(jù)計(jì)算得到的導(dǎo)線直徑選擇合適的導(dǎo)線。最后通過(guò)窗口校核，如果符合就可以完成變壓器的設(shè)計(jì)了。應(yīng)該指出，變壓器的設(shè)計(jì)方法各有不同，計(jì)算出來(lái)的數(shù)值也不盡相同，必須要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，反復(fù)地調(diào)節(jié)變壓器的各種參數(shù)，直到滿足電源的技術(shù)要求。第三章 光伏并網(wǎng)逆變器中輔助電源的實(shí)現(xiàn)方案3.1采用topswitch實(shí)現(xiàn)單端反激式輔助電源3.1.1已有topswitch拓?fù)潆娫吹姆治霈F(xiàn)有用topswitch實(shí)現(xiàn)的單端反激式穩(wěn)壓電源的拓?fù)潆娐?，該電源作為我公司已投入市?chǎng)的較小功率的逆變器中的輔助電源，具有良好的性能。部分電路拓?fù)淙鐖D3.1。圖3.1 topswitch輔助電源的電路原理圖對(duì)于該輔助電源，其技術(shù)指標(biāo)為直流輸入120v450v，多路直流輸出，。如圖所示，輸出端接后續(xù)整流電路，由三端穩(wěn)壓芯片、共模電感、濾波整流電容等構(gòu)成，不屬于本文的討論范圍。3.1.2計(jì)算變壓器及topswitch參