风电变频器开关电源设计

■ 方院生 吕跃刚 王琦

"(1.广东电网公司电力科学研究院；2.华北电力大学)

一 引言

随着双馈式风机和永磁直驱式风力发电机的应用越来越广泛，作为其中核心部件的大功率变频器越来越受到重视。因此，变频器对其低压电源的设计性能要求亦越来越高。

与线性稳压变压器电源相比，开关电源具有以下优点：(1) 节能环保。绿色开关电源的效率一般可达85%，质量好的可达到95%，而铁芯变压器的效率只有40%～50%。(2) 体积小，重量轻。(3) 开关电源具有各种保护功能，不易损坏。铁芯式线性变压器由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。(4) 改变输出电压、电流较容易，且稳定、可靠。

风力发电变流器对低压电源的要求较高，如自身功耗小、输出功率大，体积小、质量轻，且须有我自保护功能；同时，风力发电变频器还要有相互隔离的多通道电源。这些是铁芯式变压器所不能满足的，却是开关电源更适合变频器电源的原因所在。

二 变频器开关电源的原理

1开关电源的基本原理

开关电源(Switching Power Supply)是以功率半导体器件为开关元件，利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源的工作过程主要是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小(导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小)。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件所产生的损耗，故能在低损耗下实现多直流电源供给。

PWM开关电源的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

由于变频器自身特点，本文设计的开关电源输入电路部分可直接从直流母线处获取。因此，变频器的开关电源架构主要由6大部分组成：输入电路、功率因数校正、功率转换、输出电路、控制电路和频率振荡发生器，如图1所示。

高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期(T)内，电子开关的接通时间ton与一个电子周期所占时间之比为接通占空比(D)。很明显，接通占空比(D)越大，负载上的电压越高。

2反激式原理

开关电源的结构形式有很多种，按PWM方式来分有反激式变换器和正激式变换器。所谓反激式是指变压器的初级性与次级性相反，同理，正激式是指变压器的初级性与次级极性相同。根据风力发电变频器和本文选择的器件，这里仅介绍单端反激式电源，如图2所示。

图2 反激式变换电路

当单端反激式变换器在原边开关管导通时储存能量，开关管截止时才向负载释放能量，故高频变压器既起到变压隔离作用，又是电感储能元件。因此，单端反激式变换器又称为“电感储能式变换器”。

三 变频器开关电源的设计

1器件的选型

(1) 开关电源控制器IC

UC3844B芯片是固定频率的高性能电流方式控制器，是专用于产生PWM波形芯片。该集成电路的特点是，具有振荡器、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。图3为3844B内部组成框图。1脚外接阻容元件，用来补偿误差放大器的频率特性；2脚是反馈电压输入端，将取样电压加到误差放大器的反向输入端；3脚是电流检测输入端；4脚外接锯齿波振荡器外部定时电阻和定时电容，决定震荡频率；8脚基准电压输出Vref。

图3 UC3844B内部组成框图

(2) TL431工作原理

TL431集成电路是三端可编程并联稳压二极管。其电压基准如同低温度系数齐纳管一样运行，通过2个外部电阻可从Vref编程至36V，其等效电路图如图4所示。它相当于一只可调节的齐纳稳压二极管，输出电压由外部的电阻R1、R2决定。TL431的工作原理为：当输出电压Vo上升时，取样电压Vref也随之上升，使取样电压大于基准电压Vref，致使晶体管VT导通，其集电极电位下降，即输出电压Vo下降。

(3) RCD保护电路

开关电源输入端电源多是从直流母线电压获取，反激变换功率开关管关断时将引起电压尖峰，必须用箝位电路加以抑制。RCD保护电路用以缓冲MOS管在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

如图5所示，由R、C、D构成RCD吸收回路。根据楞次定律，MOS管关断时，会在变压器T1的原边产生一个数倍于输入电压的瞬间电压(反电动势约等于输入电压，di/dt、du/dt越大，反电动势越大)。所以需要注意的是MOS管的选取耐压要在输入电压两倍以上。

2电路设计

变频器开关电源的核心部件主要有控制IC和功率开关管。如图6所示，变频器电源供给可直接从直流母线上获取电源，然后根据需要，可设计不同电压水平的开关电源。此处以5V开关电源设计为例，说明变频器开关电源设计的一些关键之处。

UC3844系列是固定频率的高性能电流方式控制器，它利用固定频率调节占空比来控制输出电压。交流电压经由C1、C2、L1构成的EMI滤波器，滤除开关噪声和由输入线路引起的谐波。C1、C2、C3组成抗串模干扰电路，用以抑制正态噪声。交流电经滤波电路处理后进入整流器后得到直流电压。此电压经高频变压器初级开关功率管的漏极提供驱动电压。N3是反馈电路线圈，经二极管D6、R5给IC1工作运行电压。N3的另一个作用是监视、监测电路在运行中是否出现不良，并将有关信息送到IC1中进行处理。R4、C5是决定该电路工作频率的重要元件，决定振荡频率。

图6 反激式脉宽调制原理图

UC3844进行电路保护原理如图6所示。如果由于某种原因，输出端短路而产生过流时，开关MOS管的漏极电流将大幅度上升，R6端电压也会上升。当该引脚电压超过正常值而达到1V以上时，UC3844的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这是UC3844的6脚无输出，MOS1管截止，即保护了电路。如果供电电压过高，IC1无法调节占空比，变压器的初级绕组电压升高，使IC1的7脚电压升高，同样关闭输出。如果人为意外将输出电路短路，这时RF自恢复开关会因为电流增大而造成内部发热量的增加，最终使其电阻值变大，起到关断电路的作用。而在故障排除后，RF又能够在极短时间内快速恢复阻抗。

由于实验室示波器显示数据不能下载的缘故，故只能将设计的效果展示，如图7所示。尽管在变频器直流母线电源U1上电瞬间不是很稳定，为急剧上升直至稳定的过程，但经过控制芯片自身调节至合适占空比的情况下，能保证U2恒定输出，具有较强的抗干扰能力，很能适应现场恶劣气候和强电磁干扰的环境。

针对风力发电变频器要求多通道相互隔离的电源设计，仅需要添加少量的电路元件就可完成，成本低；且需占用太大空间，对变频器空间利用率提高有很多帮助。应用在风力发电变频器中的开关电源经实践应用表明，该设计安全高效可靠。

四 结论

开关电源设计具有其本身的优缺点，关键性的技术问题是干扰问题。在功率管不断开启关断状态下工作的高频率开关电源，首先是产生稳定的电源供应；其次是不能产生超标的电磁干扰而破坏电磁环境。这时选取电解电容值时不能过低，否则造成纹波现象，无法给设备正常供电。开关电源因其优越的性能，体积小、重量轻、功率大，在风电变频器应有中有广泛的前景。

[1] 赵同贺, 刘军. 开关电源设计技术与应用实例[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

[2] 沙占友, 马洪涛, 王书海, 等. 特种集成电源设计与应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007.

[3] 刘萍. 一种适合教学的开关电源设计及调试[J]. 现代电子技术, 2009, 303(16): 208－210.