《5kW光伏逆变电源DC_DC模块的设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5kW光伏逆变电源DC_DC模块的设计.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、】逆变)电涯】如,e比如9Po 认佗 r黝PP匆skw光伏逆变 电源DC一DC模块的设计TheDesignoftheDC一DCModulefo rtheskwPhotovolta-icDC一DCPowerSuPPIy申翔苏建徽张国荣合肥工业大学能源研究所(合肥230009)ShenXiangSuJian huiZha眼Guoro ngTheEne堪yInstituteof Hefei Univ e rsityofTe ehn ology(230 009)摘要:本文介绍了s kw 光伏逆变电源直流模块主电路和控制电路的设计,对主变压器、主开关管、输出二极管和谐振电容、电感参数进行了计算,得出了仿
2、真波形。叙词:电源移相 全桥零电压开关A比tr act:T hemaineire uitandeo ntroleireuitde、ignoftheIX)一】X刃m()duleinthis因we rs ulply15introdu eed.G ivingtheealeulatio nofthemalntr ansf or mer、main()N一()FF、o utputdiode、r eso nanteapaeitorandindu eta l飞 ee.alsotheer nulatio nw aves.K e尹o rd s:因we rs upplypha se-shiftedand ful l
3、bridgeze r(卜voltag亡sw itehing中图分类号TM92文献标识码A文章编号:15 61一()349(2()。6)01一0 037一()31引言光伏户用电源系统由光伏阵列、充 电控制 器、蓄电池、放电控制器和逆变电源五部分组成。如图1所示。本文选用移相控制全桥零电压开关PWM变换器作为D C一IX二升压环节。本设计就针对以二一L模块进行详细设计。设计指标如下:.输人直流电压4 4一4 8V;输出直流电压为35 0V,输出电流1 4A;.最大输出功率:s00 0w。图1光伏逆变电源系统结构框图目前光伏逆变电源多采用高频变换,通过 高频1芜e s1X 二变换技术,先将低压直流变
4、为高频低 压交流,经过高频变压器升压后再整流成高压直流,若对其进行正弦变换,即可得到5 0Hz、22 0v的正弦波交流电。但因采用高频变换,因而体积小、重量轻、噪音小、效率高。随着谐振开关电源的发 展,谐振变换也被用在逆变 电源 系统中,即构成了谐振型高效逆变电源。该逆变电源是在f王兀二变换中采用了零电压开关技术,因而开关损耗基本上可以消 除,即使当开关频率超过IMHz以上,电源的效率也不会明显降低。2主电路设计2.1主电路拓 扑图2所示是移相控 制全桥零电压开关PWM变换器电路原理图。其中,呱为输人直 流电压,D l一玖分别为qq的内部寄生二极管,C,一Q分别为qq的寄生电容或外接电容,Lr
5、是谐振电感,它包括变压 器的漏感。q和q组成的桥 臂为超前桥 臂,q和q组成的桥 臂 为滞后桥臂。开关频 率为IO0kHz。2.2高频变压器原 副 边变比为了在规定的输入电压范围内能够输出所要求的电压,变T陌协陌rldo f八为旧r3仰I丫如20防137负载川逆器变日目放电控制曰川目蓄池电日曰充电控制曰曰目太阳阵列逆变电滋】n,曰七ng R 洲陀r3甲内D,牛f,I伪牛、韶“几呱一场牛。圣L l叼石幸氏牛。I I ID一之之 二伪伪二扮忿忿(飞二二二东东场:工氏氏氏其中,L,是谐振电感,I是滞后桥臂开关管关断时原边 电流 的大小,几是开关管漏一源极电容,呱是输人直流电压。谐振电感的选择应 考虑
6、下述因素:为 了在任意时 间均能实现滞后桥臂的零电压开关,呱应取最大值呱.x);考虑到l/3以上满载时实现零电压开关;负载电流为1.SA时滤波电感L,的电流红f临界连续。也就是说,几;的脉动量红,为3A。在1/3负载时,Pha se-shifte dF BZV S主电路拓扑;_I o()+i:/2_14/3+3/2 _。,*1-一一下下,一一一,-;气下下二一 一一01。,了、逮、1厂IU;9自!传助派1l详流口口尔比t叫随压器的变比应按最低输人电压呱()选择。考虑到移相控 制存在副边 占空比丢失现象,选择副边占空比为0.8 5,则可计算出副边电压V翻为:_V o十V o+从_犷酬)一-,石一
7、一-一走产州,(盯.,)350十3+l0.85一4 16.47V其中,V o是输出直流电压,巧是输出整流 二极管 的通态压降,叭是翰出滤波 电感上 的直流压降。故变压器原副边变比为:K一4414 16.479.4 7开关管的漏一源极电容G,一2.sn F,叭n()一4 8V,根据上式可得:Lr一0.003拜H。2.6高频变压器设计根据变压器的温度、功率及频率,选择EE9 0磁心,有效截面积为A e4.1 9emZ,磁心 窗口面积 为Aw6.os c时。磁感应 增量为胡,一次侧导通脉冲时间为,。一。.9只不磊一905,则原边v、刁”一“一“叩一“IOOK“尸J周、赵绕组匝数为:选择变比为K1/l
8、O。2.3主功率管的选择本直流升压环节选 用MOSFE I,作为功率开关管来构成全桥电路。由于输人直 流电压 最大值为4 8V,原边电流 最大值为与.。1 4A/K 一14 0A。根据经验,此升压电路功率开关管选用FAI RCH】L D公司的FQA 16 0N 08,其漏一源 电压为8 0V,正常漏极电流为16 0A。其沟道电阻尺山(二)一0.0056 0。2.4谐振电容谐振电容的选择应考虑下述因素:为了在任意时间均 能实现各桥臂的零电压关断,几应取最小值呱();考虑 到满载时实现零电压关断,负载电流 为1.SA时滤波电感L,的电流i创伤界连续。也就是说,i u的脉动量旬为3A。要实现开关管的
9、零电压关断,谐振电容充放电时间必须大于开关管关断时间,即:娇一竺哥瓷李一只.一华荟 孚石一6.87(匝)(取8匝)各 L 刀leV.IJ尸、任l沙为了在任 意输人电压时都能够输出所要求的电压,变压器的副边匝数应按最低输人电压认n(,n)选 择。同时应考 虑副边占空比的丢失和死区影响,实际确定副边最 大占空比D,、(、x;。所以副边绕组匝数为:入,_、,V o+姚+V 工丫曳1 VP万下,e s 一-一丁二-一V。().U驶。(、x)8X3 50+3+144 X0.8 5一75.72(匝)(取80匝)其中,V o为输出电压,V n为二极管的管压降,V l为滤波电感的直流压降。2.7输出滤波 电感
10、的电感最在设计变换器输出滤波电感时要求输出滤波电感在某一个最小电流I o(时保持连续。电感L;的最小值应 为:ZC r讥I)toff其中,C r是谐振电容,I是各桥臂关断时原边电流的大小,呱是输人直流电压。在满负载时,f,V nrV。、1“一2“(f u,I o(入会一V l.一姚r_I o(m a x)+iu/2_14+3/2_,。二1一一一,蔽二一一 一一一一一一二-丁;:尸一1口 Jl l八1/IU开关管FQA160N08的关断时间讥“=410ns,呱()=44V,根据上式可得:Cr=0.72 3产F。2.5谐振电感为了实现滞后桥臂的零电压开关,必须满足在工程设计时,一般的经验算法是要求
11、输出滤波电感电流的最大脉动量么I、二为最大输出电流的2 0%,也就 是说,在输出满载电流的1 0%的条件下,输出滤 波电感电流 应该保证连续。那么上式中的几可取1 0%xI o()。由于输人电压是变化的,为了保证滤波电感电流的最大脉动量不超过最大输出电流,上式中的呱取呱(。x。全桥变换器 的开关频率为人,副边整流后的方波电压的频率为Zf s,即上式 中几;2九。这样,上式可3 81电赚廿界20 0 6门一逆变电滋b馆吐的9Po认陀 r匀Pp勺UC879l乍I)UTA接输(B需刀改成Lf一V o2沐(2九)x(10%几)V oV in。、x)一VLf一V l),lX3502X200 只103X1
12、.4350一0.5一3=0.16 6mH一八曰只一1山月任一了z尸!l|JX即L,取最大值L一0.16 6mH。2.8输出整流二极管的选择本电源的开关频率为1 0OkHz,输出整流 二极管应选用超快恢复二极管。对于本电路而言,整流管上承受的最大反向电压为叭r一V i n/K 一4 8xl 0一48 0v。在整流管开关时,有一定的 电压振荡,因此要考虑裕量,可以选用60 0V的整流二 极管。整 流二极管在理想状态下,流过的最大电流等于输出最 大电流1 4A,考虑占空比引起 的电流增 加和一定的 安全余量,可以选用 2 5A的整流二极管。此升 压模块采用 的是i xY S公司的D SE I3 0超
13、快速恢复二极管,额定电压是60 0V,额定 电流是3 7A。v v v(-A A AN OD卜卜一一Lr r r_凡。.v v v 0 0 0C加l l lt t t凡贬5接栅(一一C朋叫HO I卜卜一一一一G G GN D D D6 6 6 6 6 6 65 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5月2加加二二二二二W期,接源极极nP 250图4驱动电路形,从曲线2和曲线3的比较可以看出,当原边电流从正(或负)方向变化到负(或正)方向时,副边存在占空 比丢失(图中垂直虚线表示)。曲线4为汤的驱动波形,曲线5为其漏一源电压波形。从中可以看出,当驱动电压变为
14、正方向时,其漏一源电压已经为零了,其内部寄生的反并联二极管已经导通,此时开通MOSFET就是零电压开通。而在开关管关断 时,由于谐振电容的存在,使它是零电压关断。因此该移相控制方式实现了开关管的零电压开关。3控制电路设计控制电路采 用了专用移相控制 器件U C387 9叫,如图3所示。此设计UC387 9采用了电压型PW M控制方式。其中包括过流保护电路,输出电压反馈可调控 制电路以及蓄电池欠压保护电路。5)()U,髦澄、v)DU(L Z:jLZ:2)原边电压(V)n认Ml:5,N 4:1)原边电流V)v v v v v v v v v v v v v v v v v v v l匕V仁仁瑞瑞世
15、世tV S曰PWG G G佗佗佗佗佗佗佗佗佗佗A01以以兮兮兮兮忆)tTl书书嘴嘴嘴嘴 tIT C C CU U U U U U U 吸了O O O(习MIJR内M尸尸一一一一rsC l l l一一一一55翻 T T T一一一一V R E公日B B B_ _ _ _ _ _ _右N O之兀IC 口口 一】取)AQ3驱动信号SL L l()U50 UaU(LZ:l,N Z:G)图3控制电路Q3漏源电压(v)1.100ms1.1汉n sU C38 79输出的OLT A、()U T13、O UT C、OU TD 4路信号再通过门控隔离 驱 动而设计的光祸隔 离 驱 动电路集 成芯片TLP 25 0组
16、成了驱动电路,如图4所示,四组分别驱动q一Q 4开关管,需要3个2 0V辅助电源,01JTA/(UT B,01JTC/O U T D相位互补,OU TA(OUTB)分别超前OU TC(0 UT 1)一定的移相角。辅助 电源是 由蓄 电池、U C3844、T L43 1所组成的 自反激式变换器。4仿真结果经过仿真实验后,结果如 图5所示。图中曲线1代表 副边电压波形,曲线2代表原边电压波 形,曲线3代 表原边电流波口U(LZ:1,NZ:G)1.1()sms1.1 12n s1116msl.12 0ms下me时间t图55结语本文介绍的全桥移相ZV SPWM的DC一IX二模块开关管实现了ZVS,但副
17、边存在 占空 比的丢失,一般需采用以下两 种方法解决:(l)采用辅助网络增强滞后桥臂实现ZVS的能力;(2)采用饱和电感的办法。还需要做进一步研究。下转第4 3页)T陌W orl do fpow era甲pl丫如2 0 06139(3)减小漏感因为漏感愈大,产生的尖峰电压幅度愈高,初级尖峰电压 幅度愈高,初级籍位电路的损耗就愈大,这将导 致电源效率降低,所以在设计高频变压 器时,必须 把漏感减至最小。对于低损耗的高频变压器,其漏 电感量是开路时初级电感量的1%3%。减小漏感的措施有如下 几种:减小初级线圈的匝数;增大线圈的宽度;增加线圈尺寸的高度与宽度之比;减小线圈之间的绝缘层;增加线圈之间的
18、祸合程度。(4)减小线圈 的分布电容在开关电源 的每个通、断转 换期间,线圈分布电容反复放充、放电,其上的能量都被吸收掉,使电源效率降低,此外,分布电容还与线圈的分布电感构成L C振荡回路,产生振荡噪声。初级线圈的分布影响尤为显著。可以采取如下措施减小线圈 的分布电容:尽 量减 小每匝导线的长度;将初级线圈的始端接漏极;在初级 线圈之间加绝缘层。元器州杖术_日eme nt sT枕h r 闰嗯容、输出 电容、高频 变压 器等元件上 的功率损 耗,得出提高单片开关电源效率的主要方法是正确确 定初、次级电路元件,正确设计高频变压器使其有高的质量指标。本文的分析及结论可用于指导高效单片开关源的设计。参
19、考文献l张占松,蔡宣 三.开关电源 的原理与设计M.北京:电子工业出版社,20 04.仁2王鸿麟,景 占荣.通信基础电源M.西安:西安电子科技大学出版社,20 02.3叶慧贞,杨兴洲.新 颖开关稳 压电源M.北京:国防工业出版社,1 99 9.作者简介4结语本文通过分析单片开关电源的结构及工 作原理,根据影响单片开关电源效率的主要因素是电源的交流输人电压,以及电源芯片、籍位二级管、输出整流管、共模扼流圈、整 流桥、输人电尚修香,女,1982年生,空 军工程大学电讯工程学院 电力电子与电 力传动专业硕士,主要研究方 向为电力电子装备的直 流监测 与控制。侯振义,男,1952年生,空 军 工程大学
20、电讯工程学院教授,主要从事通信电 源领域的教学和科研工作。收稿日期:200 5一07一31定稿日期:200 5一12一19沼味甲毛诏略沼毛孚会唱.召毛甲峨召毛甲奋f毛招略乎会孚会沼会沼希f希 f 希甲毛 召绘垮略书奋书书会 唱会甲咯手奄f略.书会甲希唱会召毛幸毛甲希甲毛幸毛书毛甲略 f 咯币会唱奋沼奄甲号幸号甲咯甲绘幸 略.f毛毕心(上接第3 9页)器的研究.国外电子测量技术.2o o3(增刊)20 03:25一28.参考文献作者简介1张占松,蔡宣三.开关电源的原理和设计(修订版).北 京:电子工业出版社,20 04.幻黄俊,王兆安.电力 电子技术(第四版).北京:机械工业出版社,2001.3
21、原田耕介.开关电源 手册(中译本).北京:机械工 业出版社,2004.4jUnitr ode公司产品应用手册.Pha s eShiftRe s on antContr ol-le r.5申志宏,李时杰.基于UC3879的移相全桥ZV SPWM逆 变申翔,男,1982年生,200 4级硕士研究生,专业为 电力 电于与电 力传动。苏建徽,男,196 3年生,博士,教授,硕士生导师,合肥工 业 大学能源研究所所长,合肥工 业 大学教育部光伏系统工程研究中心副 主任。张国荣,男,1963年生,博士,副教授,硕 士生导师,合肥工业大学能源研究所副所长。收稿日期:20 05一09一19定稿日期:20 05一12一21丁瘾w or一 do tpowe rs up p一y如20 06143