光伏逆变器夜间供电辅助电源的设计

雷雪婷

（固德威技术股份有限公司）

0 引言

与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠。光伏面板根据光生伏特效应原理，将太阳能转化为直流电能，接下来逆变器将这部分直流电转化为交流电接入电网中［1-3］。

近年来，光伏行业竞争激烈，逆变器中各种新模块功能作为选配件也逐步配套起来，成为产品推出的一个亮点，产品实用性更强，竞争优势就更大，其中RSD（rapid shutdown）功能在光伏逆变器中配套应用，RSD简称快速关断，此设备主要特点是能够在电网发生故障或者人为切断等情况下，自动断开每个光伏组件的连接欸，从而减少组串的电压，保证系统中无高压，降低触电风险，提高安全性和实用性。这就要求如果逆变器想带RSD功能，就要给RSD模组持续提供12V电源，只要AC电网正常，RSD就需要一直持续工作［4］。

并网逆变器不带电池储能，其辅助电源是从BUS取电，当夜间光伏板无能量时，逆变器就不能工作，辅助电源随之关闭，LCD显示屏和通讯功能也关闭。为了增加产品的竞争力，设计一款专为逆变器夜间工作的辅助电源AC SPS，AC SPS的输入取电是来自电网，整流之后借助Flyback拓扑完成辅助电源设计，专为逆变器夜间LCD／通讯／RSD供电。增加产品夜间供电的功能，也是提升逆变器产品的一项竞争力。

1 原理与设计

1.1 AC SPS变压器设计

反激拓扑适用于宽输入范围场合，设计成本低，稳定性高，已被广泛应用到辅助电源设计中，本方案采用单管反激拓扑。AC SPS从逆变器并网端子R／S／T三相电中取R／S两相线电压作为输入，经过整流后作为反激的输入，只要电网侧不断电，AC SPS就能持续工作。

（1）输入参数

（2）输出参数

（3）输出／输入功率

（4）磁芯选择

用AP值选磁芯法：AP＝Aw×Ae。

式中，Aw为磁芯窗口面积；Ae为磁芯截面积。

式中，ΔB为最大磁通量，考虑到高温下留裕量，ΔB＝0.2T；J为绕线的电流密度，取4A／mm2；Ku为窗口填充系数，考虑到变压器上要做加强绝缘，Ku＝0.2；根据AP值和变压器高度要求低于20mm的要求，选择EFD25磁芯。

（5）初级侧最大电流计算

根据式（1）和式（2）可得Ippeak＝0.406A

（6）初级侧感量计算

由式（3）可得Lp＝2.385×10-3H，实际取感量值2.5×10-3H。

（7）初级侧绕组匝数计算

由式（4）可得Np＝83.554。Ae为磁芯截面积58mm2。

取82圈，采用三明治绕法，初级测分两层绕完，每层各41圈。

（8）匝比计算

由式（5）可得匝比取8，计算可得到输出绕组圈数。

（9）变压器设计简图

变压器原理图如图1所示。

图1 变压器原理图

变压器实物绕制工艺如图2所示，体积小，成本低。

图2 变压器图

1.2 关键电路设计

本次设计选用UC2844芯片，它是一款高性能固定频率电流模式控制器，专为DC TO DC变换器应用而设计，设计人员只需提供最少的外部元件，就能获得高效益的解决方案，电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。

②利用H3PO2进行化学镀银反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为4∶1,则氧化产物为____(填化学式)。

仿真模拟电路如图3所示。

图3 反激拓扑仿真模型

起动电路。系统的启动过程如下：AC电网电压整流后到电容C23滤波，再经过R32给C39进行充电，当C39上的电压到达芯片工作的启动电压后，芯片开始工作。6脚输出脉宽调制信号控制MOS1执行高频的开关动作，从而使得变压器不停地充放电并将电磁能量传递到二次侧，此后次级侧绕组的交流输出经过二极管整流滤波后给VCC，接替初级侧RC充电线路，持续给芯片供电使得系统能正常工作。

电压反馈电路。12VS为夜间供电的主要输出绕组，给通讯和RSD供电，为了保证输出直流电压的稳定性，取12Vs作为反馈电压。系统正常工作时，变压器反馈绕组输出的电压经过R37与R38／R49分压与TL431的基准电压2.5V进行比较构成误差比较器，经过线性光耦OPT1的电流线性变化控制UC2844的1脚进而控制占空比。OPT1光耦本体具有较大尺寸间距，能满足产品1100V系统的加强绝缘的安规要求。

开关频率设定。UC2844是固定频率控制器，但具有可调节开关频率，设计十分灵活。调节R35阻值和C29的容值，即可调节芯片输出的开关频率，本次设计的开关频率为65kHz，高频率设定可以缩小变压器体积。

变压器的选型。为保证夜间供电板小体积低成本设计，变压器选型为卧式的EFD25，高度不会超出20mm，且变压器设计满足1100V系统的安规等级。

过流保护电路。采样电阻R28将电流信号转为电压信号，送给芯片的3脚来判断电流信号，反馈到芯片内部电流信号和电压信号一起完成反馈双环控制。

缓起电路。PWM芯片启动瞬间的脉冲占空比较大，容易将变压器冲饱和，本电路中启动瞬间C42电压为0，将Q5导通，芯片1脚电压被拉低，占空比开很小，当8脚的5V电压经过R35给C42充电之后，Q5关闭，芯片进入正常反馈模式。此处线路能有效的降低启瞬间的冲击电流，是新增的优势电路。

短路保护电路。为了提升系统的稳定性，后端负载如果发生故障短路，芯片1脚电压经过R57与R56分压使得TL431迅速导通，再经Q3将VCC能量拉低，芯片供电电压拉后，驱动封锁，保护初级侧MOS不会因过流而损坏，之后芯片进入打嗝模式，直到短路故障解除，芯片开始发驱动脉冲，系统恢复稳定输出模式。此处线路为设计优势电路，极大提升了系统的品质保障，减小辅助电源失效模式，提供更可靠的稳定供电系统。

1.3 环路稳定性原理分析

控制系统中，需要分析信号输出与输入的控制环路过程，并对控制过程加以补偿得到稳定高效的系统。

环路补偿指在闭环系统中，在反馈上加入一种电路，用来补偿系统在扰动时的性能不足，从而维持系统的稳定或较优的状态。

环路需要补偿以获得足够的裕量和增益裕量，因为在环路存在很多零极点，低频或高频。通常补偿网络放在TL431的输入输出跨接，或者输出到底。本次设计在TL431处设计Ⅱ型误差补偿器。

开环传递函数如式（6）：

带入阻值和容值后，借助Matlab工具画出其开环bode图如下：

从频域图4中可以看出，系统在低频段幅频特性曲线陡且高，代表稳态精度高、响应速度快；中频段的幅值和相角都是缓慢变化的，反映系统稳定性高，这保证了系统有充足的幅值裕度和相角裕度。高频段的分贝斜率大，代表系统抗噪声能力好，高频噪声的幅值衰减很快。

图4 频域分析图

2 实验

将夜间供电板与光伏逆变器结合在一起，带实际负载测试，夜间供电板在输入低压满载条件下，量测反激MOS管驱动Vgs电压和Ids电流，实际波形与预期效果一致，MOS驱动电压无振荡，MOS电流波形正常，电流尖峰值与计算值一致，用量测电流尖峰值核算磁通量ΔB，ΔB用到0.2T以内，满足磁芯常温下最大磁通量0.5T的条件，磁芯使用裕量充足。波形如图5所示。

图5 驱动波形量测

将夜间供电板与光伏逆变器结合在一起，带实际负载测试，全电压范围测试输出纹波电压，以输出12Vs为例量测输出纹波电压，12Vs输出纹波电压在0.1V，满足产品设计需求。如图6～图8所示。

图6 输入220V（交流）时，12Vs输出波形量测

图7 输入85V（交流）时，12Vs输出波形量测

图8 输入290V（交流）时，12Vs输出波形量测

图9 动态负载输出波形量测

带动态负载测试输出电压，负载从10%突变到110%反复循环，测试反馈环路调节速度，主输出12Vs电压稳定无干扰，系统对负载变化引起的误差量调节快速、准确、稳定。

3 结束语

本次辅助电源设计借助UC2844完成一款低成本高可靠性的夜间供电电源，在满足辅助源常规需求，其输入范围广和输出纹波小的特点之外，还增加如下特别功能：

（1）安规等级特别设计，光伏产品中高压侧与低压侧的安规距离要求严格，电气间隙和爬电距离在设计之初要特别考量，变压器和光耦的设计都满足1100V系统的安规绝缘等级，可顺利通过安规认证。

（2）稳定可靠的Ⅱ型环路补偿设计，通过零极点补偿方式，在反馈处设计了系统补偿回路，在后端负载突变时系统调节快、准、稳。

给原本的并网逆变器增加一个可靠的夜间供电功能，可应用的到多个系列的逆变器上面，适用范围广，增加了产品的竞争优势。