光伏发电系统前端DCDC变换器的研究.doc

I 光伏发电系统前端DC DC变换器的研究 摘要 随着太阳能的广泛应用和现代电力电子技术的不断发展 人们对光伏发电系统提出 了更高的的要求 本文针对光伏发电系统DC DC变换器的效率和高频化问题 以光伏发 电系统前端DC DC变换器为主要研究对象 在充分考虑光伏发电系统前端DC DC变换特 点的基础上 采用适合于低压大电流场合下工作的推挽电路作为DC DC变换器的输入级 以全桥整流作为输出级 本文详细介绍了推挽式变换器的工作原理及其输出换流过程 在给出了变换器的设计参数的基础上 设计并搭建了DC DC变换器的主电路 驱动电路 控制电路和保护电路 最后通过实验波形验证了所设计的1kW 24VDC 360VDC变换器参 数设计的正确性 获得了良好的效果 关键字 关键字 光伏发电 DC DC变换器 推挽电路 II Study on Front stage DC DC Converter for Photovoltaic System Abstract With the wider use of solar energy and modern power electronic technology continues to evolve people put forward higher requirements about photovoltaic system Based on high efficiency and high frequency of front stage DC DC converter of photovoltaic system the main research object of this article focus on the front stage DC DC converter of photovoltaic system On the basis of having fully considered the characteristic of front stage DC DC converter for photovoltaic system the push pull circuit was confirmed as the input stage because it is suitable for low voltage and high current situations and the full bridge rectifier as the output stage This article describes the working principle of push pull converter and the processes of output converter based on the parameters of the converter designs and builds the main circuit driver circuit control circuit and protection circuit of DC DC converter The experimental results of the front stage 24VDC 360VDC converter for 1 kW photovoltaic system show the correctness of the design and obtained a good result Keywords Photovoltaic DC DC converter Push pull circuit III 目录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 课题的研究背景 1 1 1 1 世界能源的发展趋势 1 1 1 2 光伏发电系统的简单介绍 3 1 2 光伏发电系统中逆变电源的要求 4 1 3 目前光伏发电系统的基本结构 4 1 4 目前常用的几种 DC DC 变换器拓扑结构 5 1 5 本文研究的内容 7 1 6 课题研究的意义 8 第第 2 章章 推挽电路的工作原理分析推挽电路的工作原理分析 9 2 1 前言 9 2 2 推挽电路工作原理 9 2 3 整流二极管的换流分析 12 2 4 小结 14 第第 3 章章 1KW 24VDC 360VDC 变换器设计变换器设计 15 3 1 前言 15 3 2 总体架构 15 3 3 主电路参数设计 15 3 3 1 输入滤波设计 15 3 3 2 高频变压器设计 17 3 3 3 输出滤波电感设计 18 3 3 4 输出滤波电容设计 18 3 3 5 主功率管的选取 19 3 3 6 副边整流二极管的选取 19 3 4 控制及其驱动电路参数设计 19 3 4 1 推挽电路控制芯片 SG3525 功能及使用 19 3 4 2 驱动芯片 UCC27424 功能及使用 22 3 4 3 控制及驱动电路参数设计 23 3 5 保护电路设计 23 IV 3 5 1 输入欠压保护 24 3 5 2 输入过流保护 24 3 5 3 输出过流保护 24 3 6 辅助电源 24 3 7 小结 24 第第 4 章章 实验结果实验结果 26 4 1 前言 26 4 2 系统技术指标 26 4 3 系统实验结果 26 4 4 系统各点波形 27 4 5 保护电路调试 27 4 6 小结 28 第第 5 章章 总结与展望总结与展望 29 5 1 本文的主要工作 29 5 2 下一步工作 29 参考文献参考文献 30 附录附录 31 致谢致谢 32 1 第 1 章 绪论 1 1 课题的研究背景课题的研究背景 1 1 1 世界能源的发展趋势 随着社会生产的日益发展 对能源的需求量在不断增长 全球范围内的能源危机也 日益突出 传统的能源 尤其是煤炭 石油 天然气三大化石燃料更是有限 不合理地使 用传统能源 它们在21世纪内就会濒临枯竭 产生能源危机 还会造成全球的环境问题 大量使用化石能源已经开始造成全球变暖 燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性 的重金属和放射性物质 随着化石能源的减少 其价格也会提高 这将会严重制约生产 的发展和人民生活水平的提高 能源的日趋紧张 促使人们将目光投向可再生能源 专家认为 可再生能源大规模开 发的时机已经来到 我国应把可再生能源的发展置于重要位置 为可再生能源的大规模 开发做好政策和技术方面的准备 世界上新能源和可再生能源现状和发展趋势 1 如下 1 水力发电稳步增长 水力发电虽然破坏土地和水生物栖息地 引起土壤侵蚀和河 流淤积 但不排CO2 在许多情况下 水力发电可与石油 煤炭发电竞争 然而由于水力 发电受电站地址选择的限制 初期投资大以及环境方面和社会方面等因素的影响 水力 资源不可能被全部开发 2 风力发电装机容量扩大 风力发电装机容量的增长主要在欧洲 近年来 丹麦 印度 中国 新西兰 瑞士 加拿大等国家都在设施风力发电项目 风力发电主要受土 地的限制 风机对鸟类的伤害 大型的风力发电与重要的人口和工业中心相隔较远等因 素的限制 3 地热 生物能 海洋能的发电有所增长 潜力巨大 4 太阳能发电兴起 因为太阳能发电具有以下一些优点 1 太阳能是一种用之不竭的可生能源 初始能源成本极低 2 太阳能是一种既不会对环境产生有害气体 又不释放放射性物质的清洁能源 3 太阳能电池及其组件可串并联组合 电源或电站的功率可根据需要从几毫瓦至 几十兆瓦 4 晶体硅太阳能电池可使用20年以上 而且整个系统没有转换装置 系统寿命长 可靠性高 使用方便 人类之所以没有大规模利用太阳能资源 是因为开发利用的成本比较高 目前太阳 2 能发电装置一般都使用非晶硅作光电转换材料 这种材料比较昂贵 另外它的光电转换 效率只有20 左右 再者日光能量密度低 要放置太阳热能收集器需要巨大的空间 1982 年 主题为 能源推动世界 的世博会在美国田纳西州的诺克斯维尔举行 中国 馆展出了太阳能热水器 太阳灶 太阳能航标灯 太阳能电围栏 沼气利用以及具有中 国民族特色的各类工艺品等 充分展示了我国太阳能光伏发电的先进技术 1997 年全球太阳能电池的销售量增长了40 已经成为全球发展最快的能源 太阳 能将在21 世纪进入一个快速发展的阶段 预计将在2050 年左右达到30 的比例 次于 核能居于第二位 21 世纪末将取代核能进入第一位 正如世界观察研究所的一期报告所 指出 正在兴起的 太阳经济 将成为未来全球能源的主流 2000 年在德国汉诺威举办的世博会上 展示了当时世界最先进的太阳能建筑 光伏 发电装置和当时世界最大的太阳能游艇 点燃了 21 世纪 太阳能世纪 的星火 随后 的几年里 全球的太阳能技术日新月异 每年产业的发展以 30 的速度递增 促进了太 阳能工业的产生 2005 年的日本爱知世博会以 自然的睿智 为主题 突出展现了节能和环保理念 在 爱知世博会上展现和应用了多晶硅 双面受光型单晶硅和非晶硅的太阳能电池 在西门 前面高台的斜面上安装了输出功率为 200 千瓦的多晶硅太阳能电池 在欧洲联合展馆前 面的高台上安装了输出功率 100 千瓦的非晶硅太阳能电池 在试验发电装置周围的墙面 上 以及由西门到 NEDO 馆通道的栏杆下面安装了输出功率 30 千瓦的双面受光型太阳能 电池 此外电力馆还安装了 30 千瓦热电联产与太阳能电池系统 2008 年的北京奥运会上 奥运村内将全部使用太阳电为运动员照明 白天太阳能电 池板把太阳能收集转化为电能并储存起来 一到晚上 这些电能又转化成光能 太阳能 是一种没有污染的电力资源使用太阳能照明是北京举办 绿色奥运 的重要组成部分 2010 年的上海世博会不仅是大规模光伏建筑一体化并网电站的展示与示范应用舞台 而且各种结合太阳能技术应用的景观与展示也在规划之中 如太阳能路灯 太阳能庭院 灯 太阳能草坪灯 太阳能电子显示屏 太阳能雕塑 太阳能喷泉 太阳能售货亭 太 阳能冰吧 太阳能报刊亭 太阳能移动厕所 太阳能公交候车亭 太阳能售货亭和太阳 能游船等 世博会上的大规模太阳能技术应用和各种太阳能科技展示使人们能够体验到 太阳能技术给人类生活带来的变化 并充分反映出世博会关注应对全球气候变化和人类 社会可持续发展等热点问题 体现 城市 让生活更美好 主题 促进太阳能等新能源技术 推广应用 这 3 表明太阳已经在进入我们的生活 并将成为我们的一部分 我们对太阳能的应用技术也 将趋于成熟 在此之际 光伏发电也映入我们眼帘 1 1 2 光伏发电系统 2 的简单介绍 光伏发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置 根据光伏系统与电网的关系 可以分为独立于电网的光伏系统和并网系统 独立于电网的光伏系统 常用在远离电网 的偏远地区 而在并网系统中 光伏发电系统代替电网提供有用功率 也把功率馈送回 电网 直接把光伏电池与负载相连 中间不带储能装置 这类光伏系统叫直接耦合光伏 系统 但这类系统在阴雨天和晚上的时候不能提供能量 所以通常中间要加入蓄电池 由于光伏系统受外界因素影响比较大 所以为获得额定功率输出 通常要加上控制器来 调节 控制和保护系统功能 所以 光伏发电系统基本包括光伏电池板 电力电子变换 装置 储能装置 控制器四大部分 如图1 1所示 储能装置一般采用蓄电池 尤其是铅 酸蓄电池 电力电子变换装置根据负载的不同分为两类 1 直流变换器 按照直流负载 的要求供电 2 逆变器 通常为工频逆变器 输出恒频 恒压的交流电 在并网光伏发 电系统中还要有交流并网装置和电能计量装置 控制器为整个系统的控制核心 负责对 系统各运行参数进行检测 并根据预设和判断做出控制指令 使系统能够自动稳定运行 并工作于最佳状态 一般由一个控制器进行集中控制 DC DC 蓄电池DC AC 交流 连接装置 交 流 电 网 直流负载交流负载 AB 图 1 1光伏电源系统的一般结构组成 目前我国户用光伏发电系统主要是直流系统 如图1 1中A点左侧部分所示 光伏电池 发出的电能给蓄电池充电 蓄电池直接供电给各类负载 这类系统结构简单 成本低廉 由于负载直流电压的不同 如12V 24V等 很难实现系统的标准化和兼容性 特别是生活 用电 其负载主要为交流 因此 交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源 图1 1 中B点左侧部分为独立型光伏逆变电源系统 可以提供直流电和交流电 适于远离电网的 偏远地区或者比较分散 居住地不稳定的用户 图1 1中整个系统为并网式光伏发电系统 并网式系统是通过联系装置与己有电力系统 连接 然后由户用光伏系统 通过连接装置 4 将电力输往电力系统 此状态称为逆潮流状态 从电力系统将电力输往用户的状态称为顺 潮流 并网式系统由于受到电力系统的电力支援 可以把电网作为储能装置 通常可以 省去蓄电池 成为经济的系统 当前 并网式光伏发电系统 尤其是户用并网式光伏发 电系统 因为可以与建筑合为一体 方便并节约用地和成本 成为世界上光伏发电研究 和开发的热 门 1 2 光伏发电系统中逆变电源的要求光伏发电系统中逆变电源的要求 逆变电源是交流光伏系统 3 中重要的部件之一光伏电源系统对逆变电源的要求较高主 要有以下几点 1 要求具有较高的效率 由于目前太阳电池的价格偏高 为了最大限度地利用太阳 电池 提高系统效率 必须设法提高逆变器的效率 2 要求较高的可靠性 目前光伏户用电源系统主要用于边远地区 难以维护 这就 要求逆变电源具有合理的电路结构 严格的元器件筛选 并要求逆变电源具备各种保护 功能 如蓄电池充放电保护 系统短路保护 过热 过载保护等 3 直流输入电压有较宽的适应范围 由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变 化 蓄电池虽然对太阳能电池的电压具有钳位作用 但由于蓄电池电压随蓄电池剩余容 量和内阻的变化而波动 特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大 如24V 蓄电 池其端电压可在19V 30V 之间变化 这就要求逆变电源必须在较大的直流输入范围内保 证正常 工作并保证交流输出电压的稳定 1 3 目前光伏发电系统的基本结构目前光伏发电系统的基本结构 目前光伏发电系统的电源变换器 4 一般有以下两大类 1 单级结构 DC AC 即利用逆变器直接将光伏电池输出直流电变换为交流电输出 其输入输出隔离采用的是工频变压器 实现的是后级隔离 存在问题 1 隔离需工频变压器 系统笨重 效率低 2 输入电压变化范围大 逆变器设计复杂 2 两级结构 DC DC DC AC 即利用前级DC DC 变换器先将光伏电池输出直流电 进行变换 然后再由后级DC AC 变换器将变换后得到的直流电逆变成交流电输出 此结 构由于使用了技术成熟的DC DC变换器 可实行高频化 实现了前级隔离 其结构的优点是 1 采用了高频变压器 实现了小型化 具有较高的效率 2 由于采用了技术相对成熟的DC DC变换器结构 输入电压有较宽的适应范围 因此 对于一个设计要求为输入直流19 2V 28 8V 输出交流220V 频率50Hz 额 定 5 出功率1KW 的光伏发电系统 可以采用DC DC DC AC 的两级结构来实现 如图1 2 所 示 前级DC DC 变换器将光伏电池输出的宽范围低压直流电变换成稳定的360V 高压直 流电输出 同时实现输入输出的电气隔离 后级DC AC变换器再将360V 高压直流电逆变 成所需220V交流电 本文所要研究的便是前级DC DC 变换器的设计 光伏电池DC DCDC AC 19 2 28 8V DC 360VDC220VAC 图1 2 光伏发电系统 1 4 目前常用的几种目前常用的几种 DC DC 变换器拓扑结构变换器拓扑结构 1 单端反激电路 如图1 3单端反激电路 多用于小功率场合 常用于设计多路输出激励电源 反激式 变换器中的变压器起着电感和变压器的双重作用 具有电感电流连续 临界连续和断续3 种工作模式 而这里所指的连续不是单线圈电感电流的连续 而是用次级线圈晶体管截 止时间的电流状态来说明 实际上是指磁通的连续 反激变换器不能空载运行且调节困 难 一般在负载较大的场合 5 2 单端正激电路 如图1 4的单端正激电路形式上与反激类似 和单端反激电路的不同点是 该拓扑是 直接传送能量 可以应用的功率场合较反激电路大 但是 当主功率管关断时必须给变 压器提供能量释放回路 这也带来了各种磁复位的问题单端正激电路变压器的磁利用率 低开关管电压应力高等缺点也限制了它在大功率场合中的应用 3 双管正激电路 如图1 5双管正激电路 一般用于输出电压较高的中大功率场合 6 相对于单管正激 变换器而言 它克服了开关管电压应力高 需采用特殊的复位电路等缺点 有其优越性 但它自身也有缺陷 为保证可靠的磁复位 其工作占空比只能小于0 5 为获得更高的输 出电压 须提高变压器的变比 从而使变压器副边续流二极管的电压应力增大 考虑反 向恢复特性后 又成为制约副边整流电路设计的主要因素 不适合高输出电压的场合 4 半桥电路 6 如图1 6半桥电路 输出直流电压的纹波正比于钳位电容的电压波动 相对于单端正 激 电路而言 开关管电压应力减小为输入电压 变压器磁芯利用率提高了一倍 但是 半 桥电路的缺点是钳位电容电压不对称可能引起变压器偏磁 5 全桥电路 如图1 7全桥电路适用于大功率场合 桥式变换器中开关管承受的电压与半桥一样 为输入电压 流过开关管的电流 在相同的输出功率时 全桥为半桥的一半 桥式电路 适用于高输入电压场合 6 推挽电路 如图1 8推挽电路中对变压器的绕制要求较高 必须具有良好的对称性 否则将会产 生直流磁化分量 偏磁而导致铁心饱和 为防止偏磁 控制方式需采用峰值电流控制 推挽电路的缺点 1 变压器的偏磁给器件的参数一致性和驱动电路脉冲宽度的一致性提 出了较高的要求 同时控制方式也要求采用电流型控制方案 2 开关管关断时漏感能量 在开关管上会引起高的电压尖峰 给主变压器的绕制提出了较高的要求 但是推挽电路 拓扑具有很多的优点 1 结构简单 只需要两个主功率管 7 2 驱动电路不要隔离 电 路简单 3 变压器磁芯可以自动磁复位 相同的磁芯尺寸 推挽变换器可以比正激变换 器输出更大的功率 4 推挽式功率变换电路 在输入回路中仅有一个开关的通态压降 而半桥和全桥电路有2个 因此在同样的条件下 产生的通态损耗较小 其中的变压器可 同时实现直流隔离和电压变换的功能 磁性元件数目较少 成本较低 适用于低电压大 电流输入的中小功率场合 因此本设计采用推挽电路 Uin Uo Q D C T Uin Uo Q D C T D 图1 3单端反激电路 图1 4的单端正激电路 7 Uin Uo Q2 D C T Q1D1 D2 Uin Uo Q2 D C T Q1 D1 D2 C1 C2 图1 5双管正激电路图1 6半桥电路 Uin Uo Q1 T Uin Uo T Q1Q3 Q4 Q2 Q2 TP2 TP3 图 1 7 全桥电路图 1 8 推挽电路 1 5 本文研究的内容本文研究的内容 根据光伏发电系统前端DC DC变换器的具体要求 输入电压范围19 2 28 8VDC 输 出电压360VDC 输出功率1000W 最高转换效率在85 以上 从上文所述的6种常用拓扑 我们可以看到 推挽电路比较适合于低压输入中小功率的应用场合 8 本文对推挽式 DC DC变换器结构进行研究 主要内容如下 第一章简述了光伏发电发展与现状 介绍了光伏发电系统的基本结构 阐述了DC DC 变换器常用的几种拓扑结构 提出了本文的研究内容和意义 第二章分析了推挽变换器的工作原理及介绍了全桥整流的换流情况 第三章选用第二章的主电路拓扑结构设计出1KW 24VDC 360VDC变换器 给出了主 电路参数和控制电路参数的设计方法 以及对电路进行了相应保护的设计 第四章对1KW 24VDC 360VDC变换器进行实验并对实验结果进行了讨论 验证了设 计参数的正确性 8 第五章为结束语对全文工作进行了总结 并提出需进一步研究的内容 1 6 课题研究的意义课题研究的意义 本文的研究意义主要体现在以下几个方面 1 采用了推挽正激的主拓扑结构 在低压输入大电流的场合和其它电路拓扑相比较 而言 该拓扑可以大大减小输入滤波器的体积 提高变换器的功率密度 减小了主功率 管的电压应力 2 本文采用了结构设计 系统的维护性好 同时大大降低了备件成本 3 该变换器不仅可以应用在光伏发系统中 也可以应用在其它输入电压较低的大功 率场合中 4 完成了某工程项目要求的1KW 24VDC 360VDC变换器研制任务 5 为光伏发电系统的完善 做了一些探索性工作 9 第 2 章 推挽电路的工作原理分析 2 1 前言前言 如第一章所述推挽电路拓扑结构简单 驱动电路不需要隔离 变压器磁芯可以自动磁 复位 以及适用于低电压大电流输入的中小功率场合等优点 而本文要设计DC DC变换 器正符合推挽拓扑的特性 因此本设计采用了推挽拓扑 本章详细地介绍了推挽电路的工作原理 分析了该电路的关键工作过程 针对全桥 整流的换流情况做了简要的探讨 最后对推挽电路进行了归纳与总结 2 2 推挽电路工作原理推挽电路工作原理 推挽变换器基本电路如图2 1 所示 电路中的两个开关管VT1 VT2接在带有中心抽 头的变压器初级线圈两端 此电路可以看成完全对称的两个单端正激变换器组合而成 D3 D4 D5 D6为副边整流二极管 为输出滤波电感和滤波电容 9 LC D3 L Uo D5D6 D4 iL iD3 VT1 D1 D2 U1 Uvt1 Uvt2 i1 i2 RL C io Np Np Ns VT2 iD4 图2 1 推挽变换器基本电路 在分析之前 作如下假定 1 所有开关管 二极管均为理想器件 2 电感电容为理想元件 3 滤波电容足够大 稳态工作时 电压基本不变 可视为电压源 4 滤波电感足够大 在一个开关周期中 其电流基本保持不变 这样 就可以LC l R 看成一个电流源 5 所有电量参考方向以图2 1所标注的方向为正方向 计算公式中忽略了变压器励磁电 流的作用 励磁电流很小 10 Ui D3 L Uo D5D6 D4 iLit1 RL C io D3 L Ui Uo Ui VT1 VT2 Ui C A A B B D5 D6 D5D6 D3 L Uo D5D6 D4 i2 iL Uvt1 Uvt2 RL RL C C iL D3 L Uo D4 io RL C D4 io io iL VT1 VT2 Uvt1 Uvt2 VT1 VT2 Uvt1 Uvt2 VT1 VT2 Uvt1 Uvt2 D A 模式一 VT1导通 VT2截止 B 模式四 VT1 VT2都截止 C 模式三 VT1截止 VT2导通 D 模式四 VT1 VT2都截止 图2 2 推挽电路工作状态 11 Ut1 it2 Ut2 i3 i4 iL 2Ui Ui io D T T 2 t t t t t t 图2 3 推挽变换器主要波形 推挽式变换器基本电路如图2 1所示 它由开关晶体管VTl VT2 变压器等元件组成 从图2 2和图2 3所示电路及波形可以得出 推挽电路共有四种工作状态 1 是VT1导 通时输入电压加在变压器原边上端绕组 VT2承受两倍的输入电压 变压器副边绕组电压 为 整流二极管D3 D5导通 此期间电源向负载提供能量 2 VT1关断 VT2仍未 i nU 导通 由于电路中存在储能元器件 整流管D3 D5中电流逐渐减小 D4 D6中电流逐渐 增大 直到两管中电流相等 忽略变压器激磁电流 此时变压器可以看作被短路 两开关 管承受电源电压 输出功率由输出电容提供 3 VT2导通 VT1关断时 输入电压加 i U 在变压器原边下端绕组上 VT1承受两倍的输入电压 变压器副边绕组电压为 整流 i nU 二极管D4 D6导通 此期间电源向负载提供能量 4 VT2关断 VT1仍未导通 整流管 D4 D6电流逐渐减小 D3 D5中电流逐渐增大 直到两管中电流相等 忽略变压器激磁 11 电流 此时变压器又可以看作被短路 两开关管承受电源电压 这就是推挽电路的工作 状态 10 12 2 3 整流二极管的换流分析整流二极管的换流分析 本节主要着重讨论推挽变换器副边整流二极管的换流情况 一般而言 输出整流电 路有两种 一种是四个整流二极管构成的全桥整流方式 另一种是两个整流二极管构成 的双半波整流方式也称全波整流方式 前者一般用于输出电压比较高 输出电流比较小 的场合 而后者常用于输出电压比较低 输出电流比较大的场合 为的是减小整流桥的通 态损耗 提高变换器的效率 11 因此 本文针对设计要求采用全桥整流方式 下面来讨 论全桥整流方式 D3 L Uo D5D6 D4 iL iD3iD4 iD6iD5 VT1 D1 D2 U1 Uvt1 Uvt2 i1 i2 RL C io Np Np Ns is 图2 4 推挽变换器输出全桥整流电路 I Io ID3 ID4 Io 2 t0t1 ID4 ID3 t2t3t4t5t6t7t8 t 图2 5 全桥整流电路主要波形 图2 4和图2 5是全桥整流方式下的电路结构及其主要波形 在to时刻前 由于所有整 流管同时导通 将变压器的副边电压钳在零位 此时变压器原边电压也为零 由前面分 析可知 t0时刻开始 变压器原边电流增加 其副边电流心也 06543 2 1 iiiii DDDD 增加 但小于输出滤波电感电流 即 不足以提供负载电流 此时D4和D6依然导通 s i L i 为负载提供不足部分的电流 各个电流的关系式为 2 1 34DDo iii 13 2 2 45DsD iii 一般D3 D6是同一型号的器件 而D1和D4 D2和D3的工作情况是一样的 2 3 35DD ii 2 4 46DD ii 根据式 2 1 2 4 以及变压器的原副边电流关系式 可以得出整流管的电流表达式 原副边电流关系式如下 ps VVn 2 5 2 6 ps ini 其中 为变压器原边的电压 电流 为变压器副边的电压 电流 为 p V p i s V s in 副边与原边匝数之比 2 7 35 1 2 DDos iiii 2 8 46 1 2 DDos iiii 由于副边变压器短路 所以加在变压器副边漏感上 存在关系 i nV 2 9 V 1 i s n it L 将式 2 9 代入 2 7 2 8 可得 2 10 35 V1 21 i DDo n iiit L 2 11 46 V1 21 i DDo n iiit L 根据上面两式 可以知道整流管的换流情况 1 t0 t1 时段 D3和D5中流过的电流大于D4和D6中流过的电流 即 2 12 3546DDDD iiii 2 t1 t2 时段 D3和D5流过全部负载电流 D4和D6的电流为零 即 2 13 35DDo iii 2 14 46 0 DD ii 3 t2 t3 时段 D3和D5中流过的电流开始减小 D4和D6中流过的电流开始 增加 即 2 15 35 1 DDo nVi iiit L 2 16 46 1 DD nVi iit L 14 4 t3 t4 时段 四个整流管中流过的电流相等 均为负载电流的一半 即 2 17 3546 1 2 DDDDo iiiiI 2 4 小结小结 本章详细地介绍了推挽电路的工作原理 分析了该电路的关键工作过程 针对全桥 整流对副边的换流情况做了简要的探讨 认识和了解了全桥式整流推挽电路的工作过程 对下一章的电路设计 起着承上启下的作用 15 第 3 章 1KW 24VDC 360VDC 变换器设计 3 1 前言前言 本章详细地介绍了1KW 24VDC 360VDC变换器的参数设计过程 首先介绍了系统总 体架构 其次给出了变压器和输入输出滤波器的设计 控制电路和驱动及其保护电路的 设计 根据1KW 24VDC 360VDC变换器总体性能指标要求 1KW 24VDC 360VDC变换器应 达到的技术指标 采用推挽式DC DC变换器结构 输入电压范围19 2 28 8VDC 输出电 压DC360V 输出功率1000W 开关频率 20KHz 经SG3525 分相后 原边开关管工 sw f 作频率为20KHz 因此整流输出频率为 40KHz 进行计算 下面是详细的设计过程 s f 3 2 总体架构总体架构 输入滤波 功率变换电 路 输出滤波 控制及其驱 动电路 保护电路 辅助电源控 制模块 电流反馈 电压反馈 Ui 19 2 28 8VDC U0 360VDC 推挽主电路 图3 1 1KW 24VDC 360VDC变换器总体架构 本电源变换器的主要部分包括输入滤波器 主功率电路 输出滤波器 控制及保护 电路 驱动电路和辅助电源模块等 具体架构图如图3 1 其中主电路拓扑采用上一章介 绍的推挽变换器结构 3 3 主电路参数设计主电路参数设计 推挽电路主功率部分电路图如图3 2所示 3 3 1 输入滤波设计 由于光伏电池的输出电压随负载的变化较大 因此不可能选用很大容量的电容来抑 制这种缺陷 但可以合理选择适当的电容值 在整个19 2 28 8V 输入电压范围内工作时 15 对应于一定大小负载情况下的输入电压脉动值保持在一定范围内 16 Q1 IXFN 140N20P Q2 IXFN140N20P C38 103 2KV C43 103 2KV R60 10 2W R63 10 2W R61 5R1 R66 5R1 R62 220 2W R65 220 2W C39 101 2KV C41 330 450V C42 330 450V R67 47K R64 47K D12 MUR10120 Lf 6mH 3 5 7 16 1 T1 EE65 0 1uF C40 D13 MUR10120 D16 MUR10120 D19 MUR10120 C45 2200 63V C46 2200 63V C52 103 1KV C53 103 1KV GND F1 30A F2 30A F3 30A Uin D18 Diode 1N4148 D14 Diode 1N4148 15V LT2主 主 主 主 主 主 500V 5V LT1 15V GND LT2 LT1主 主 主 主 主 10A 5V G1 G2 GND Uin GND Uin 15V GND 主主主主 主主 U U 15 Ui GND 主主主主 主主 主主主主 主主 主 主 主 主 主 主 主主主主 主主主主 主主主 主主主主 主主主主 主主主 C47 2200 63V C48 2200 63V C49 2200 63V C50 2200 63V C51 2200 63V C54 103 1KV C44 2200 63V Ui Ui Ui UF GND CF 图3 2 推挽电路主功率电路 17 假设整个电路的效率为85 则一个开关周期内输入滤波电容所提供的能量Win 可 i C 以近似由下面的方法求得 0 024 o i PT WJ 3 1 每半个周期输入滤波电容提供的能量为 3 2 minmin 2 2 i iii W CVV 因此输入滤波电容容量为 3 3 minmin 16440 4 i i ii W CH VV 其中 为输入电压纹波 取 1 minVi minVi minVi 实际电路中采用了8个2200uF 63V 的电解电容并联使用 同时考虑到铝电解电容高 频性能不是很好 在其两端又并联了3个105 63V的CBB电容 12 3 3 2 高频变压器设计 设 0 9 200 SS CnF max D 1 变压器变比 3 4 minmax 360 20 83 19 2 0 9 o i V n VD 取 21 验证则n 3 5 max min 360 0 893 19 2 0 9 o i V D Vn 3 6 min min 360 0 595 28 8 21 o i V D Vn 2 变压器副边电流估算 3 7 smax 0 92 82 656 o IDI 考虑到电路中元器件的损耗 取 4A s I 3 变压器原边电流估算 3 8 max 0 50 452 839 4 po IDInnA 考虑到电路中元器件的损耗 取 45A p I 4 变压器原边中心抽头电流估算 18 3 9 max 0 92 855 8 mo IDInnA 19 考虑到电路中元器件的损耗 取 60A m I 可确定变压器 T 的参数为 变比为 1 1 21 频率为 为 40KHz p N p N s N s f 原边额定电流为 45A 副边额定电流为 4A 中心抽头额定电流为 60A 本设计变压器是定制的 具体参数由生产厂家确定 3 3 3 输出滤波电感设计 1 设计输出电流纹波电流 I 假设 3 10 20 2 8 20 0 56 o IIA 2 滤波电感为 3 11 min 8 1 360 0 405 6 4 10 56 40 10 o f VD LmH fs 考虑到电感的体积和重量 取 6mH f L 可确定的技术参数为 f L 电感量为 6mH 频率 40kHz 电感电流为 取 10A 本设计电感是 f L s f oL II 定制的 具体参数由生产厂家确定 3 3 4 输出滤波电容设计 假设输出电压的最大纹波值为 3 10 8V 则可由下式确定输出滤波电容 0 U 0 U 的大小 3 12 2 1 63 8 2 oo soiD UU CH LfUnUU 由于ESR的作用 14 实际选用电容要比计算值大 实际工程中 为减小ESR 输出滤 波电容选用2只330 F 450V 电容并联 又考虑到 1 滤波点到滤波电容端存在引线会产生 分布电感 2 电容本身存在寄生电阻ESR 增加了输出电压的脉动量 3 为了滤除高频的 开关纹波 可以在输出滤波电容中并联高频CBB电容 综合以上因素 本电路中选取 660 F 450V和CBB 0 1 F 1kV并联使用 3 3 5 主功率管的选取 MOSFET具有导通电压低 导通电阻小 20 开通关断速度快 易于控制等优点 因此本系统选用MOSFET作为主功率管 1 计算额定电压 由电路工作原理可知 功率开关管的最大电压应力为2 考虑输入电压 28 8V i U i U 时过压保护 则功率管可能承受的最大电压应力 28 8 2 57 6V 计及分布电感引 maxds U 起的电压尖峰和箱位电容的脉动及考虑约一倍的余量设计 参考市场上可以买到的功率 管规格 选用200V耐压的MOSFET 2 计算额定电流 一般按照励磁电流为额定电流的5 计算 流过开关管的电流有效值 max 1 5 62 7 rmso InIDA 3 13 考虑到变换器在一定温度下系统能够正常工作 在功率管选取时需留有较大的余量 选用140A的MOSFET 综上所述 本文选用额定电压200V额定电流140A的MOSFET 型号 IXFN 140N20P 其恢复时间小于200ns 3 3 6 副边整流二极管的选取 本文采用全桥整流 电源的开关频率为20kHz 工作频率相对较高输出整流二极管应 选用频率特性较好的快恢复二极管 16 理想情况下 整流二极管上的最大电压应该是 输入电压最大值与变压器变比的乘积 即为604 8V 由于推挽变压器的漏感和线路寄生电 感影响 二极管上会有很高的电压尖峰 将远远超过理论上的最大值 所以选取的二极 管耐压1200V 又由于二极管的电流峰值就是电感的电流峰值即等于 其额定电流应大于这个值 因此应选用10A 本电路选用AIII op 08 3 2 1 MUR10120 1200V 10A 其恢复时间是135ns 3 4 控制及其驱动电路参数设计控制及其驱动电路参数设计 控制及其驱动电路如图3 3所示 3 4 1 推挽电路控制芯片 SG3525 功能及使用 SG3525是具有两路互补PWM 输出的电流峰值模式控制芯片 其内部结构框图如图 3 4所示 20 OUT B 14 OSC OUT 4 IN 2 RT 6 CT 5 DISC 7 CMPEN 9 IN 1 SYNC 3 GND 12 SS 8 VCC 15 VC 13 OUT A 11 VREF 16 SD 10 U1 SG3525 20K R5 100 RD 104 C5 4 7n CT 103 C2 GND 15 GND Vref GND Vo out1 out2 主主主主 10KRT Vref 5k R15 104 C4 1K R13 GND V V ENBA 1 INA 2 GND 3 INB 4 OUTB 5 VDD 6 OUTA 7 ENBB 8 U2 UCC27424 close G1 G2 1k R2 1k R4 10k R8 VccGND 104 C3 GND baohu close 3 2 1 84 U3A LM258 R9 100K1 R7 10k R10 10k C6 105 R11 120K C7 103J 1K R6 Res2 5 6 7 U3B LM258 Vref 5k R14 1K R12 GND IREF IREF D1 Diode GND Io Io CF GND G1 GND G2 G2 G1 GND 15 GND 15 15 Vcc GND Vcc GND GND GND GND 主主主主 主主主 主主主主 主主 主主主主 主主主主 主主主 50k R16R17 100K1 R18 100K C8 103J 3 2 1 84 U4A LM258 GND UF GND Vo 主主主主 主主主 主主主主 C17 103 20K R26 R21 10k 图3 3 控制及其驱动电路 21 图3 4 SG3525内部结构框图 其内部各部分构成和功能如下 1 电源部分 内置5 1V 基准电压稳压电路 其输入为芯片电压 由15 脚 引入 IN V 输出的5 1V 基准电压除供内部电路工作 还通过16脚 引出 提供给外部控制电路 REF V 2 误差放大器 2脚是同相输入端 通常与基准电压相连 作为电压环调节的基准 1 脚是反相输入端 通常外接电压反馈信号 放大器的输出送到PWM 比较器的反相端 同时通过9 脚 COMP 引出 通常在1 脚和2脚之间连入电阻 电容网络从而将放大器设置 成比例积分电路 3 三角波发生器OSC 通过在5脚 T C 6 脚 T R 和7脚 D R 分别外接电容 T C 电 阻 T R 电阻 D R 可以设置输出PWM 信号的频率 与同类产品不同的主要是将时基电 sw f 容 T C 的放电电路与充电电源分开 单独设立引脚7 放电通过外接电阻 D R 来实现 改变RD 即可改变 T C 的放电时间常数 从而也改变了死区时间 而 T C 的充电是由RT规定的内部电 流源决定的 振荡器的振荡频率为 3 14 1 0 73 TD f CTRR 4 限流和保护部分 通过外接电阻分压网络设置10脚 CURLMTSET 电压就可以设 置主功率电路开关管的峰值电流限流点 一般用法是将流过脉冲信号送至关闭控制端10 脚 当10脚电压超过0 7V时 芯片将进行限流操作 当10脚电压超过1 4V时 将使PWM 锁存器关断输出 直至下一个周期才能恢复 如果10脚信号持续时间较长 则由软启动 20 电路工作 由于芯片内部速度极快 通过10脚可达到逐个过流脉冲的限制功能 22 5 软启动部分 软启动电路是由在8脚外接电容并由内部的50uA恒流源充电的 达 到50 输出占空比的时间 是 t 3 15 ss Ct 6 1050 5 2 6 输出电路部分 SG3525输出级采用了图腾柱输出电路 它能使输出管更快地关断 V1由达林顿管组成 最大驱动能力为100mA V2作为开关器件 在其导通时可以迅速把 外接MOS管栅极上的电荷从它的集电极泄放至地 最大吸收电流为50mA 18 3 4 2 驱动芯片 UCC27424 功能及使用 本文选用驱动芯片UCC27424 UCC27424是具有两路PWM 输出的MOS管驱动芯片 其驱动电流可达4A 完全可以驱动MOS管 其内部结构框图如图3 5所示 如图3 5所示 其中ENBA ENBB分别是两路选通控制端 高电平有效 INA INB 是两路输入端 OUTA OUTB是两路输出端 VDD GND是电源端 支持4 5 15V供电 电压 23 图3 5 UCC27424内部框图及等效图 24 3 4 3 控制及驱动电路参数设计 1 的计算 T C D R 推挽电路控制电路结构如图3 3 所示 为了在两组PWM 信号间有一定死区取 100 死区时间计算 3 对应2微秒死区时间 设 4 7nF 根据 D R D T D R T C T C SG3525工作原理振荡频率应取 40KHz 把 代入式 3 14 可以得到 f D R T Cf T R 7 17K 实际电路中取10K 的可变电阻 取100 取4 7nF T R D R T C 2 电压反馈控制网络的设计 本设计的电压反馈是采用圣斯尔公司生产的电压传感器来获取输出电压信号 其输 入输出电压比500V 5V 并通过跟随器送入SG3525的1脚 即电压误差放大器的反相输入 端 而电压误差放大器的同相输入端2 脚的基准电压 是通过对SG3525的16 脚 5 1V基 准 进行分压得到一个可调的 0 4 25V 的基准电压 通过调节可以改变输出电压 15 R 电压误差放大器的反馈是由 和组成的PI调节器 与 的比是该PI调节器 21 R 5 R 2 C 5 R 21 R 的放大倍数 通常取1 10倍 这里取2倍 与 的乘积就是该PI调节器的时间常数 5 R 2 C 通常取为电路开关周期的数十倍 实验得到为20k 为0 01uF 5 R 2 C 3 电流反馈控制网络的设计 本设计的电流反馈与电压反馈基本相同 也是采用圣斯尔公司生产的电流传感器来 获取输出电流值 其输入输出比10A 5V 由于SG3525驱动芯片自身只带了一个误差放大 器 因此如图3 3所示 采用了外部放大器U3 把输出信号通过跟随器送入放大器的反相 输入端 而放大器的同相输入端2 脚的基准电压 也是通过对SG3525的16 脚 5 1V基准 进行分压得到一个可调的 0 4 25V 的基准电压 通过调节R14可以限制输出电流 电 流误差放大器的反馈是由 和组成的PI调节器 实验得到为10k 为 10 R 26 R 17 C 10 R 26 R 20k 为0 01uF 17 C 4 软启动计算 根据式 3 15 取软启动时间为10ms 则 200 SS CnF 5 驱动电路设计 根据前面所述的UCC27424芯片 本设计的驱动电路是采用UCC27424直接对主电路 中的MOS管进行驱动 其中ENBA ENBB选通信号是由下面所述的保护电路提供 即可 以通过ENBA ENBB来控制电路得通断 25 3 5 保护电路设计保护电路设计 保护电路结构如图3 6 所示 26 根据光伏电池的工作原理 为了保证系统在安全的范围内工作 为此变换器系统设 置了5种保护功能 输入欠压保护 输入过流保护 输出过压保护 输出欠压保护 输出 过流保护 3 5 1 输入欠压保护 如图3 6 所示 输入欠压保护电路原理是 对输入电流直接采样 再与基准电压进行 比较 如输入电压过