一种应用于光伏系统的反激辅助电源设计

高 滨，陈坤鹏，夏东伟，徐纪太

（1.青岛大学自动化工程学院，青岛 266071；2.无锡上能新能源公司，无锡 214174）

引言

近年来，随着光伏逆变技术的发展，对电源体积、重量、效率等方面提出了越来越高的要求。单端反激电路由于体积小、电路简单、变压器原副边电气隔离等优点在开关电源设计中得到了广泛应用［1-2］。在光伏系统中，光伏电池板开口电压大致在700～1 000 V，若直接采用单端反激，则需要开关管大致承受1 000 V以上的电压应力，而工程应用中很难找到同时满足高压、高频的MOSFET。若采用双管反激，由于均压问题，不能保证其稳定性［3］。因此需要研究满足光伏应用的开关电源。

针对目前工程实际需求，本文设计、实验一款基于串联反激电路的高压高频辅助电源，并给出了具体的设计参数、实验数据和实验波形。

1 主电路工作原理

主电路原理拓扑如图1所示。它是一个一体电路，不是传统的2个电路串联；它只有一个变压器，绕组N1和绕组N2的匝数相同且绕在同一个磁芯上。当输入电压800 V不平衡时，假设电容C1端电压405 V，电容C2端电压395 V，管子导通时，忽略压降，即N1端为 405 V。 由于 N1和 N2匝比为 1：1，则通过变压器耦合可知N2端必然也为405 V，那么N2和C2间将产生压差，电流会流向C2；反之，当C2电压高于C1时，电流流向C1，给其充电，随之电压升高，以此来平衡电压。当一个导通周期没有平衡时，下个周期，继续进行，直至平衡。其中BUS_M是母线中点，也是2个反激电路的连接点，该连接点不需要与光伏电池板的中点连接。图中管子的采样电路没有画出。

DC+经一系列电阻降压，得到VCC并送至UC2844的VCC，使得芯片开始工作，驱动管子导通，而且两个管子是同时导通和截止的。当管子导通时，电流上升，变压器原边导通，磁场开始储能，当开关管关断时，磁场开始向副边传递能量［4］。电压反馈是通过TL431及相关外围组件实现［5］。

图1 主电路拓扑Fig.1 The topology of main circuit

2 主电路设计

主电路参数设置为：输入电压直流范围为300～1 000 V，输出直流电压 24 V，输出电流 7.5 A，输出功率180 W，电压精度≤1%，开关频率116 Hz。

2.1 主电路变压器设计

设计要求有：（1）原边、副边绕组电压的变比应满足要求值，即当输入电压降到规范的最低电压值时，仍能够有稳定的输出；（2）当输入电压或占空比变为最大时，变压器的磁芯不允许饱和；（3）当输出功率最大时，变压器温升应在规范要求之内［6］。

磁芯采用EER45，主要参数为：磁芯有效截面积为Ae=194 mm2，磁芯窗口面积为Aw=223 mm2。

在最小输入电压为Vin_min=300 V时，设定开关频率为130 kHz，占空比D=0.4，最大占空比为Dmax=0.5，ΔB=0.1 T，变压器初级励磁电感量［7］Lp为

式中：Po为输出功率，180 W；η为电源效率，取80%。

变压器初级与输出+24V次级的变比为n，由于是2个反激串联，故变比n为

式中：Vo为输出电压，24 V；Vf为输出整流二极管的压降，取为1 V。通过计算可得n=4。

变压器初级绕组匝数Np为

则主输出次级绕组匝数Ns为Ns=Np/n=7.43，辅助绕组匝数Nax为

实际中，变压器的Np取为34匝，Ns取8匝，辅助绕组取6匝，用于提供电压Vax=16 V，给控制片供电。

2.2 开关管的选择

首先，考虑副边折射到原边的电压Vz=n（Vo+Vf），将参数数值带入可得：Vz=100 V。当单独采用单端反激或双管串联时，每个管子在光伏高压直流输入时要承受的最大关断电压为Vds_max=Vin_max+Vz=1 000+100=1 100 V；再考虑电压裕量和尖峰量，则要选择的管子耐压至少要有1 400 V以上。而实际工程中，这么高耐压的管子不仅价格高，而且工作频率低，损耗大，不符合工程需要的。

而在本电路中，在最大直流输入时，管子关断时承受最大电压为

计算得到，Vds_max只有600 V，大大降低了管子的耐压，进而解决了低频、低功率、成本高等问题，很好地满足了辅助电源在光伏应用中的要求。

在输入电压最低时，开关管最大工作电流［8］为Icmax=I1/Dmin其中，I1为最低电压输入时输入的平均电流，I1=Po/η·Vin_min；η 为电源效率。 通过计算可得最大电流为Icmax=4.26 A。分别考虑尖峰量和电压、电流裕量，选择型号为 FQA11N90C（900 V，8 A）的MOSFET管。

2.3 输出二极管选择

开关管和输出整流二极管都要在最高电压输入时选择，当输入最高直流电压1 000 V时，输出整流管承受最大反向电压为Vdmax=Vin_max/2·n+Vo=150 V，承受的最大电流为 Idmax=Io=7.5 A，考虑电压和电流裕量后，输出二极管选用MBR20200（200 V，20 A）。

3 实验

本文针对光伏中高压输入情况，分别取输入电压为900 V和1 000 V做实验，实验波形如图2～图5所示。

图2 输入 900 V 时 Q1的 Vgs、Vds波形Fig.2 Vgsand Vdswaveforms of Q1with input 900 V

图3 输入 900V 时 Q2的 Vgs、Vds波形Fig.3 Vgsand Vdswaveforms of Q2with input 900 V

图4 输入 1 000 V 时 Q1的 Vgs、Vds波形Fig.4 Vgsand Vdswaveforms of Q1with input 1 000 V

图5 输入 1 000 V 时 Q2的 Vgs、Vds波形Fig.5 Vgsand Vdswaveforms of Q2with input 1 000 V

由图2和图3可以看出，输入900 V时，每个管子在关断时承受电压只有610 V左右，在开关管的耐压范围；开关频率为116 kHz左右。由图4和图5可以看出，当输入为1 000 V时，每个管子耐压只有660 V左右，均在耐压范围内。

4 结语

实验结果表明该电源能很好地解决光伏高压输入情况下，管子耐压和低频、功率密度低等问题，在光伏应用中有良好的应用前景。

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