光伏微型逆變器輔助電源的變壓器設計

摘要：在光伏微型逆變器中需要給控制板，繼電器，散熱風扇，電流采樣器以及驅(qū)動小板等供應不同電壓和不同功率的直流電源，本文設計了從光伏板取電的一個多路輸出的高頻變壓器。原負邊的線圈采用了三明治疊繞的方法，以此來減少漏感，并且對輔助電源的電流反饋和電壓反饋環(huán)節(jié)進行了設計，確?？蛰d與滿載下都有穩(wěn)定的輸出，最后，搭建了電路，對光伏微型逆變器進行供電與調(diào)試。由于采用電流與電壓雙環(huán)控制，負載調(diào)整率更低，對實驗波形進行分析并驗證了設計方案可行性。

光伏發(fā)電是種潔凈的能源，高頻變壓器在光伏微型逆變器中起著能量轉(zhuǎn)換和傳遞的作用，因此在這個過程中的轉(zhuǎn)換效率是衡量高頻變壓器設計好壞的關(guān)鍵因素之一。然而高頻反激變壓器具有能量轉(zhuǎn)化效率高，可以實現(xiàn)多路輸出，是光伏微型逆變器輔助電源理想拓撲的選擇。

本文在介紹高頻反激變壓器設計原理的基礎(chǔ)上。首先，根據(jù)輸入輸出問的電流，電壓，功率，傳遞效率以及工作模式，推導出所選變壓器磁芯，和原副邊的繞線匝數(shù)和股數(shù)以及電感量。然后，由電流反饋回路計算出檢流電阻值，以及光耦反饋環(huán)節(jié)的分壓電阻和補償電阻值與電容值，采用了傳遞函數(shù)和伯德圖的分析方法。最后，利用ATLAB/simu link軟件進行了仿真;同時，搭建了由這款變壓器組成的電源模塊在光伏微型逆變器中實驗，對仿真結(jié)果進行驗證。實驗結(jié)果表明，所設計高頻反激變壓器滿足光伏微型逆變器的需求。

1 光伏微型逆變器結(jié)構(gòu)

圖1為光伏微型逆變器的結(jié)構(gòu)，在光伏微型逆變器內(nèi)，因為輔助電源起到給系統(tǒng)提供三路不同電壓輸出的作用，所以這三路輸出的功率變化時要確保其輸出電壓不能有太大的變化，這樣才能有利于系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。此外，輔助電源的變壓器設計和繞制方法對系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定也有重要影響，因此，輔助電源的變壓器設計需要理論計算和軟件仿真以及實驗調(diào)試來確保其高效穩(wěn)定的工作。

2 輔助電源的變壓器設計

2.1 設計條件

輸入電壓范圍：(光伏板)35～60 Vdc。

設計輸出電壓：(+15 V，+12 V，HF.POWER)。

最大輸出功率為：Pout=40 W。

變換效率為：Eff=0.8。

變壓器工作在不連續(xù)模式。

IC選擇UC3845，最大占空比Dmax=0.55。

開關(guān)頻率為：fs=40 kHz。

2.2 設計過程

1)變壓器磁芯材質(zhì)的選擇

選用鐵氧體材質(zhì)TDK PC40，該材質(zhì)的基本參數(shù)如下表。

TDK PC40相關(guān)參數(shù)，其中：Bs=390mT@100degree，Br=55mT@100degree，deltaB=390-55=335mT。

當工作頻率為40 kHz時候，取80%的飽和值，335*0.8=268mT。

2)變壓器磁芯尺寸的計算

根據(jù)AP=AW*Ae=(Pt*10000)/(2△B*fS*J*Ku)，其中，Aw是變壓器窗口面積，Ae是磁芯橫截面積，視在功率Pt=Pout/Eff+Pout，電流密度J=400A/cm^2，繞組系數(shù)Ku=0.4，則有：

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

3)計算輸入功率及輸入電流

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

4)計算原邊電感值

在最小輸入電壓(35 V)時，工作在不連續(xù)模式的臨界狀態(tài)(這樣既可以保證電路在任何時候都工作在不連續(xù)模式，又能最大地利用占空比)，此時D=0.55，△I=Iin*2/D= 1.43*2/0.55=5.2A.電感經(jīng)驗系數(shù)Ks=1.8。

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

5)計算原邊繞組匝數(shù)Np

在最大輸入電壓60 V時，Ton=0.55*1/40000Hz=13.75μs，電阻系數(shù)Rs=0.19ohm，D=L*fs/Vin*Rs=51.4*le-6*40*le3/(60*0.19)=0.1804，由E=NBA/D=>Np=D*Vi/(B*Ae*fs*K)，磁芯系數(shù)K=0.9，Np=0.33*60/(0.268*41*le-6*40*le3*0.9)=50.0546Ts，取整50Ts。

6)計算偏置繞組匝數(shù)Np2和Ns2

Vout=15.7+0.8=16.5V，Vin*D=(Np/Ns)*Vout*(1-D)=>Np1/Np2=Vin*D/Vout*(1一D)=35*0.55/(16.5。0.45)=2.6，Np2=50/2.6=19.23Ts，取Np2(+15V)=19 Ts。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。

3 仿真及實驗驗證

為了驗證以上的理論設計，利用Matlab/simulink軟件構(gòu)建了一個仿真模型，設計三路輸出，得到了仿真波形。同時，還搭建了實物測波形與仿真波形對比。其中圖2是15 V，12 V的兩路輸出和驅(qū)動信號Ugs;圖3中的1通道是副邊15 V的輸出;2通道是驅(qū)動信號Ugs;3通道是原邊電流。

4 結(jié)論

本文圍繞變壓器工作原理，首先根據(jù)磁芯手冊的參數(shù)和AP法來計算磁芯的尺寸，從而選擇合適的磁芯，然后根據(jù)原副邊的功率變換關(guān)系來計算原副邊的匝數(shù)和股數(shù)，最后利用Matlab/Simulink平臺對分析推導進行了仿真;同時，搭建實驗平臺對仿真結(jié)果進行驗證。實驗結(jié)果表明，通過三明治繞法和反饋回路合理的設計，可以較好地實現(xiàn)低損耗和穩(wěn)定輸出的目標。