一种并网逆变系统中辅助电源设计方法

周迎春，胡志军

（湖南理工职业技术学院，湖南湘潭，411104）

0 引言

为了应对世界能源紧缺和环境环保问题，基于以风能和太阳能为代表的可再生能源的分布式发电系统迅速崛起， 其中作为核心组件的并网逆变器应用广泛。基于此，并网逆变系统中辅助电源的设计显得尤为重要，其主要为DSP控制主板系统、IGBT驱动电路系统及信号采集及调理电路系统提供电源，为并网逆变系统正常运行提供保障。

涉及到系统的辅助电源设计，首要分析的是并网逆变系统的具体构成和参数，以便于更好地实现系统电源供给。并网逆变系统的主功率电路采用的是电压型三相半桥式结构的LCL型并网逆变器，另外包括采样及调理电路、IGBT驱动电路、DSP最小系统电路以及本文所设计的系统辅助电源等部分。并网逆变器的具体参数如下：母线电压为600V；电网相电压为220V；电网频率为50Hz；系统输出功率为7kW。

针对并网逆变器的具体构成和实际参数，对系统辅助电源进行需求分析。确定应用需求如下：（1）输入电压范围（2）三路输出电压和输出最大电流分别为：（Vo1=5V、Io1=2A）、（Vo2=12V、（Vo3=-12V、 Io3=1A）；（3）电源效率：η=90%；（4）负载调整率：±0.2%；（5）纹波：Vripple≤0.2V。

图1 并网逆变系统具体构成框图

图2 系统辅助电源整体电路图

1 总体原理

根据系统辅助电源的需求，辅助电源采用反激开关电源拓扑结构，整体电路图如图2所示。系统辅助电源整体电路图由交流输入部分、全桥整流电路、钳位电路、开关芯片、变压器部分、直流输出部分以及反馈电路等组成。

交流输入部分由保险丝、压敏电阻及EMI电路组成。作为交流电源引入的端口，有着保护后端电源电路并不影响前端输入电源的作用。

全桥整流电路是通过四个二极管进行整流和一个大电容进行滤波而实现，从而完成将交流电源转变为直流电源。

钳位电路采用RC缓冲电路和反向阻断二极管实现钳位功能，防止开关管两端过压而导致开关管损坏。

开关芯片选用power integrations公司的TOP264EG芯片，这款芯片内集成了开关管与驱动电路，使用简单，设计方便。通过调节控制角电流，即可改变波形占空比，从而输出所需电压等级。

变压器部分实现隔离和降压的功能。

直流输出部分通过单个二极管半波整流和由电感和电容组成的滤波电路平波组成，得到三个直流输出电压，满足系统电源需求。

反馈电路主要由TL431和光耦组成，如此电路设计形式可达到负载调整率（±0.2%）的要求。

2 重要细节设计

2.1 整流桥参数和滤波电容CIN的设计

本文中滤波电容CIN参数设计使用简单估计方法，从需求分析可知辅助电源的输出功率oP=34W，且当交流输入电压时，输出功率数值与滤波电容容值的比例系数为1，因此，滤波电容CIN=34µF，从而选择电容标称值

图3 全桥整流电路部分

为确定整流桥二极管的参数，进行如下计算：

其中，IAVG为平均整流电流。通过式（3）和式（4）的计算结果，选择DB105S作为整流二极管。

2.2 变压器设计

由于本辅助电源为多路输出模式，根据经验设置反射电压VOR=110V。根据伏秒定律有：

结合占空比定义：

则可计算出最大占空比DMAX=0.35。

为了缩小高频变压器的体积，并保证系统环路控制的稳定，将开关电源设置为临界连续模式运行，从而可由式（7）计算出初级峰值电流IP。

至此，根据功率需求及效率最优，辅助电源变压器选择EI28型PC40铁氧体材料磁芯，其磁芯有效截面积

接下来，根据电感电压与电流变化率之间的关系，可计算出初级电感量LP。

通过联合式（9）方程组，得出初级线圈匝数NP，见式（10）。

通过计算电压比得出初次级匝数比如下：

2.3 三路直流输出部分

为说明输出整流二极管参数确定方法，以主输出回路为例，计算出主次级绕组的最大峰值反向电压VS1。

为了降低输出电压开关纹波和保证直流电源质量，采用几个低ESR的电解电容并联作为输出电容。另外，设置电感取4.7µH、电容取100µF的后级低通滤波器。

图4 三路直流输出部分

2.4 反馈控制电路

反馈控制电路采用光耦和TL431组合方式实现，其对比于初级反馈方式、光耦器和稳压管组合方式，输出精度最好。具体实现原理如下，主输出端并入两个串联的4.7kΩ电阻，实现无源分压，从而得到电压采样信号，将其接至TL431的参考端，通过TL431将电压信号转化为电流信号，并经光耦器LTV817A隔离传输到开关芯片的控制脚，由此实现反馈控制。

图5 反馈控制电路

3 实物制作

图6 样机实物图

图7 输出电压波形图

经过理论计算、仿真分析及实物设计，得到如图6的实物样机，功能正常实现，并且各项指标符合要求，输出电压波形可见图7，输出电压平稳，纹波含量小，最大纹波小于0.18V，负载调整率低，达到±0.19%。

4 结论

为并网逆变系统设计的辅助电源实现了小功率、宽输入范围、多路输出等功能，并且具有优良的稳压性能，其电压纹波小、负载调整率和电压调整率低，能够满足并网逆变系统辅助电源需求。为并网逆变系统设计辅助电源提供了一套设计方法，该电源体积小、造价低、性能好，在实际应用中具有一定的优势。