光伏微型逆变器辅助电源的变压器设计

吴 林，杨国为，刘 斌

（南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063）

光伏发电是种洁净的能源[1－2]，高频变压器在光伏微型逆变器中起着能量转换和传递的作用[3]，因此在这个过程中的转换效率是衡量高频变压器设计好坏的关键因素之一。然而高频反激变压器具有能量转化效率高，可以实现多路输出，是光伏微型逆变器辅助电源理想拓扑的选择。

本文在介绍高频反激变压器设计原理的基础上。首先，根据输入输出间的电流，电压，功率，传递效率以及工作模式，推导出所选变压器磁芯，和原副边的绕线匝数和股数以及电感量。然后，由电流反馈回路计算出检流电阻值，以及光耦反馈环节的分压电阻和补偿电阻值与电容值，采用了传递函数和伯德图的分析方法。最后，利用MATLAB/simulink软件进行了仿真；同时，搭建了由这款变压器组成的电源模块在光伏微型逆变器中实验，对仿真结果进行验证。实验结果表明，所设计高频反激变压器满足光伏微型逆变器的需求。

1 光伏微型逆变器结构

图1为光伏微型逆变器的结构，在光伏微型逆变器内，因为辅助电源起到给系统提供三路不同电压输出的作用，所以这三路输出的功率变化时要确保其输出电压不能有太大的变化，这样才能有利于系统稳定的工作。此外，辅助电源的变压器设计和绕制方法对系统的效率与稳定也有重要影响，因此，辅助电源的变压器设计需要理论计算和软件仿真以及实验调试来确保其高效稳定的工作。

图1 光伏微型逆变器结构Fig.1 Solarmicro inverter structure

2 辅助电源的变压器设计

2.1 设计条件

输入电压范围：(光伏板)35～60 Vdc。

设计输出电压：(+15 V，+12 V，HF.POWER)。

最大输出功率为：Pout=40W。

变换效率为：Eff=0.8。

变压器工作在不连续模式。

IC选择UC3845，最大占空比Dmax=0.55。

开关频率为：fs=40 kHz。

2.2 设计过程

1）变压器磁芯材质的选择

选用铁氧体材质TDK PC40，该材质的基本参数如下表。

表1 铁氧体材质TDK PC40相关参数Tab.1 TDK ferritem aterial PC40 related parameters

TDK PC40 相关参数， 其中：Bs＝390mT@100degree，Br=55mT@100degree，deltaB=390-55=335mT。

当工作频率为40 kHz时候，取80%的饱和值，335*0.8=268mT。

2）变压器磁芯尺寸的计算

根据 AP=AW*Ae=（Pt*10000）/（2ΔB*fs*J*Ku），其中，Aw是变压器窗口面积，Ae是磁芯横截面积，视在功率Pt=Pout/Eff+Pout，电流密度 J=400A/cm^2，绕组系数 Ku=0.4，则有：

Ap=[（40/0.8+40）*10000]/ （2*0.268*40*1000*400*0.4） =0.2624cm^4， 选择 EI25 立式 （5+5） 其中 Ae＝41mm^2，Aw=77.12mm^2，Ap=0.3165cm^4。

3）计算输入功率及输入电流

Pin=Pout/Eff=40/0.8=50W，Iin=Pin/Vi=50/35=1.43A 。

4）计算原边电感值

在最小输入电压（35 V）时，工作在不连续模式的临界状态 （这样既可以保证电路在任何时候都工作在不连续模式，又能最大地利用占空比），此时D=0.55，ΔI=Iin*2/D=1.43*2/0.55=5.2A，电感经验系数Ks=1.8。

L=Vi*D/（ΔI*fs*Ks）=35*0.55/（5.2*40*1000*1.8）=51.4 uH

5）计算原边绕组匝数Np

在最大输入电压60 V时，Ton=0.55*1/40000Hz=13.75μs，电阻系数 Rs=0.19ohm，D=L*fs/Vin*Rs=51.4*1e-6*40*1e3/（60*0.19）=0.1804 ， 由 E=NBA/D=>Np=D*Vi/（B*Ae*fs*K），磁芯系数 K=0.9，Np=0.33*60/（0.268*41*1e-6*40*1e3*0.9）=50.0546Ts，取整 50Ts。

6）计算偏置绕组匝数Np2和Ns2

Vout=15.7+0.8=16.5V，Vin*D=（Np/Ns）*Vout* （1-D） =>Np1/Np2=Vin*D/Vout* （1-D）=35*0.55/（16.5*0.45）=2.6，Np2=50/2.6=19.23Ts，取 Np2（+15V）＝19Ts。 Np1/Ns2=Vin*D/[Vs2*（1-D）]=35*0.55/（13.5*0.45）=3.17

Ns2=50/3.17=15.7729Ts，取 Ns2（+12V）＝16Ts。

表2 变压器绕组结构Table 2 Transformer widing structure

3 仿真及实验验证

为了验证以上的理论设计，利用Matlab/simulink软件构建了一个仿真模型，设计三路输出，得到了仿真波形。同时，还搭建了实物测波形与仿真波形对比。其中图2是15 V，12 V的两路输出和驱动信号Ugs；图三中的1通道是副边15 V的输出；2通道是驱动信号Ugs；3通道是原边电流。

图2 两路输出和驱动信号仿真图Fig.2 Three-way output and drive signal simulation diagram

4 结 论

图3 电压电流波形图Fig.3 Voltage and currentwaveforms

图4 实物图Fig.4 The physical figure

本文围绕变压器工作原理，首先根据磁芯手册的参数和AP法来计算磁芯的尺寸，从而选择合适的磁芯，然后根据原副边的功率变换关系来计算原副边的匝数和股数，最后利用Matlab/Simulink[9-10]平台对分析推导进行了仿真；同时，搭建实验平台对仿真结果进行验证。实验结果表明，通过三明治绕法和反馈回路合理的设计，可以较好地实现低损耗和稳定输出的目标。

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