5kW光伏逆變電源DC-DC模塊的設(shè)計(jì)

 引言

光伏戶(hù)用電源系統(tǒng)，由光伏陣列、充電控制器、蓄電池放電控制器和逆變電源五部分組成。如圖1所示。

圖1   光伏逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

目前光伏逆變電源多采用高頻變換，通過(guò)高頻DC-DC變換技術(shù)，先將低壓直流變?yōu)楦哳l低壓交流，經(jīng)過(guò)高頻變壓器升壓后再整流成高壓直流，若對(duì)其進(jìn)行正弦變換，即可得到50Hz、220V正弦波交流電。但因采用高頻變換，因而體積小、重量輕、噪音小、效率高。

隨著諧振開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展，諧振變換也被用在逆變電源系統(tǒng)中，即構(gòu)成了諧振型高效逆變電源。該逆變電源是在DC-DC變換中采用了零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)，因而開(kāi)關(guān)損耗基本上可以消除，即使當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1MHz以上后，電源的效率也不會(huì)明顯降低。本文選用移相控制全  橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器作為DC-DC升壓環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)就針對(duì)DC-DC模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

• ? 輸入直流電壓44V~48V；

• ? 輸出直流電壓為350V，輸出電流14A；

• ? 最大輸出功率：5000W；

1  主電路設(shè)計(jì)

1.1 主電路拓?fù)?/p>

圖2   Phase-shifted FB ZVS主電路拓?fù)?/p>

圖2是移相控制全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器電路原理圖。其中，Vin 為輸入直流電壓，D1-D4分別為Q1-Q4的內(nèi)部寄生二極管，C1-C4分別為Q1-Q4的寄生電容或外接電容，Lr是諧振電感，它包括變壓器的漏感。Q1和Q2組成的橋臂為超前橋臂,Q3和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。開(kāi)關(guān)頻率為100KHZ。

1.2  高頻變壓器原副邊變比

為了在規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出所要求的電壓，變壓器的變比應(yīng)按最低輸入電壓Vin選擇?？紤]到移相控制存在副邊占空比丟失現(xiàn)象，選擇副邊占空比為0.85，則可技術(shù)出副邊電壓Vsec(min)為：                                                       

其中，V0是輸出直流電壓，VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降，VL是輸出濾波電感上的直流壓降。故變壓器原副邊變比為： ，選擇變比為 K=1/10。

1.3  主功率管的選擇

本直流升壓環(huán)節(jié)選用MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)管來(lái)構(gòu)成全橋電路。由于輸入直流電壓最大值為48V，原邊電流最大值為 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此升壓電路功率開(kāi)關(guān)管選用FAIRCHILD公司的FQA160N08,其漏源電壓為80V，正常漏極電流為160A。其溝道電阻Rds(on)=0.0056Ω。

1.4  諧振電容

諧振電容的選擇應(yīng)考慮下述因素：為了在任意時(shí)均能實(shí)現(xiàn)各橋臂的零電壓關(guān)斷，Vin應(yīng)取最小值Vin(min)；考慮到滿(mǎn)載時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷；負(fù)載電流為1.5A時(shí)濾波電感Lf的電流 臨界連續(xù)。也就是說(shuō)， 的脈動(dòng)量Δ 為3A。要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷，諧振電容充放電時(shí)間必須大于開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間，即： 。其中，Cr是諧振電容，I是各橋臂關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小，Vin是輸入直流電壓。

在滿(mǎn)負(fù)載時(shí)， ，開(kāi)關(guān)管FQA160N08的關(guān)斷時(shí)間 ， ，根據(jù)上式可得： 。

1.5  諧振電感值

為了實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)，必須滿(mǎn)足下式：  。其中Lr是諧振電感，I是滯后橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小， 是開(kāi)關(guān)管漏源極電容，Vin是輸入直流電壓。

諧振電感的選擇應(yīng)考慮下述因素：為了在任意時(shí)均能實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)，Vin應(yīng)取最大值Vin(max)；考慮到1/3以上滿(mǎn)載時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)；負(fù)載電流為1.5A時(shí)濾波電感Lf的電流 臨界連續(xù)。也就是說(shuō)， 的脈動(dòng)量Δ 為3A。

在1/3負(fù)載時(shí)， ，開(kāi)關(guān)管的漏源極電容 ， ，根據(jù)上式可得： 。

1.6  高頻變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)變壓器的溫度、功率及頻率，選擇EE90磁芯，有效截面積為Ae=4.19cm2,磁芯窗口面積為Aw=6.08cm2。則原邊繞組匝數(shù)為： 為磁感應(yīng)增量，ton為一次側(cè)導(dǎo)通脈沖時(shí)間 ，由 ，原邊取8匝。 

為了在任意輸入電壓時(shí)能夠輸出所要求的電壓，變壓器的副邊匝數(shù)應(yīng)按最低輸入電壓Vin(min)選擇。同時(shí)應(yīng)考慮副邊占空比的丟失和死區(qū)影響，實(shí)際確定副邊最大占空比    Dsec(max)。所以副邊繞組匝數(shù)為：

，取80匝。         

其中VO為輸出電壓，VD為二極管的管壓降，VL為濾波電感的直流壓降。

1.7  輸出濾波電感的電感量

在設(shè)計(jì)變換器輸出濾波電感時(shí)要求輸出濾波電感在某一個(gè)最小電流 時(shí)保持連續(xù)。電感 的最小值應(yīng)為： 

在工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般的經(jīng)驗(yàn)算法是要求輸出濾波電感電流的最大脈動(dòng)量ΔImax為最大輸出電流的20%，也就是說(shuō)在輸出滿(mǎn)載電流的10%的條件下，輸出濾波電感電流應(yīng)該保證連續(xù)。那么上式中的 可取 。由于輸入電壓是變化的，為了保證濾波電感電流的最大脈動(dòng)量不超過(guò)最大輸出電流，上式中的Vin取Vin(max)。全橋變換器的開(kāi)關(guān)頻率為fs，副邊整流后的方波電壓的頻率為2fs，即上式中 =2fs。這樣，上式可改成下式：

即 取最大值  =0.166mH。

1.8  輸出整流二極管的選擇

本電源的開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，輸出整流二極管應(yīng)選用超快恢復(fù)二極管。對(duì)于本電路而言，整流管上承受的最大反向電壓為Vbr=Vin/K=48*10=480V。在整流管開(kāi)關(guān)時(shí)，有一定的電壓振蕩，因此要考慮裕量，可以選用600V的整流二極管。整流二極管在理想狀態(tài)下，流過(guò)的最大電流等于輸出最大電流14A，考慮占空比引起的電流增加和一定的安全余量，可以選用25A的整流二極管。此升壓模塊采用的是IXYS公司的DSEI30的超快速恢復(fù)二極管，額定電壓是600V,額定電流是37A。

2  控制電路設(shè)計(jì) 

圖3   控制電路

控制電路采用了專(zhuān)用移相控制器件UC3879（參考文獻(xiàn)4），如圖3所示。此設(shè)計(jì)UC3879采用了電壓型PWM控制方式。其中包括過(guò)流保護(hù)電路，輸出電壓反饋可調(diào)控制電路以及蓄電池欠壓保護(hù)電路。

圖4   驅(qū)動(dòng)電路

UC3879輸出的OUTA，OUTB，OUTC，OUTD4路信號(hào)再通過(guò)門(mén)控隔離驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路集成芯片TLP250組成了驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示，四組分別驅(qū)動(dòng)Q1-Q4開(kāi)關(guān)管，需要3個(gè)20V輔助電源， OUTA/OUTB，OUTC/OUTD相位互補(bǔ)，OUTA(OUTB)分別超前OUTC(OUTD)一定的移相角。輔助電源是由蓄電池、UC3844、TL431所組成的自反激式變換器。

3 仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果如下：

曲線1代表副邊電壓波形，曲線2代表原邊電壓波形，曲線3代表原邊電流波形，從曲線2和曲線3 的比較可以看出，當(dāng)原邊電流從正（或負(fù)）方向變化到負(fù)（或正）方向時(shí)，副邊存在占空比丟失（圖中垂直虛線表示）。

曲線4為Q3的驅(qū)動(dòng)波形，曲線5 為其漏－源電壓波形。從中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓變?yōu)檎较驎r(shí)，其漏源電壓已經(jīng)為零了，其內(nèi)部寄生的反并聯(lián)二極管已經(jīng)導(dǎo)通，此時(shí)開(kāi)通MOSFET就是零電壓開(kāi)通。而在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于諧振電容的存在，使它是零電壓關(guān)斷。因此該移相控制方式實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。

4  結(jié)語(yǔ)

本文介紹的全橋移相ZVSPWM的DC-DC模塊開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS，但副邊存在占空比的丟失，一般需采用以下兩種方法解決：① 采用輔助網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS的能力；② 采用飽和電感的辦法。還需要做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 張占松、蔡宣三，開(kāi)關(guān)電源的原理和設(shè)計(jì)（修訂版），電子工業(yè)出版社，2004 

[2] 黃俊、王兆安，電力電子技術(shù)（第四版），機(jī)械工業(yè)出版社，2001

[3] 原田耕介，開(kāi)關(guān)電源手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[4] Unitrode公司產(chǎn)品應(yīng)用手冊(cè)，Phase Shift Resonant Controller

[5] 申志宏、李時(shí)杰，基于UC3879的移相全橋ZVS-PWM逆變器的研究，國(guó)外電子測(cè)量技術(shù) 2003（增 刊）：25～28，2003

作者簡(jiǎn)介

申  翔（1982－），男，2004級(jí)碩士研究生，專(zhuān)業(yè)電力電子與電力傳動(dòng)

蘇建徽（1963－），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所所長(zhǎng)  

合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心副主任

張國(guó)榮（1963－），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所副所長(zhǎng)

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