一種寬輸入雙管反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

摘要：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中通常使用寬輸入范圍的開(kāi)關(guān)電源來(lái)為低壓微控制器、IGBT驅(qū)動(dòng)器以及LCD供電。文中介紹了一種輸入范圍為120～800 V，輸出為20V／1A的開(kāi)關(guān)隔離電源的設(shè)計(jì)方法，從而有效地解決了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的供電問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；PWM；變壓器；MOSFET

0 引言
    根據(jù)《太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)研制技術(shù)協(xié)議》的規(guī)定，接入太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池陣列在最強(qiáng)光照的情況下的開(kāi)路電壓將不能超過(guò)750 V，最低不低于120 V。本文介紹的開(kāi)關(guān)電源就是在120～750 V的輸入電壓范圍內(nèi)能穩(wěn)定地輸出，從而使太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能在協(xié)議規(guī)定的輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定地為低壓控制器、IGBT驅(qū)動(dòng)器以及LCD供電，并使系統(tǒng)可靠地工作。

1 電路拓?fù)?br />     本設(shè)計(jì)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中，當(dāng)VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，DC電源和變壓器初級(jí)組成回路，變壓器初級(jí)的電流上升，變壓器的磁通密度從初始的剩余磁通Br上升到峰值Bw，并將能量存儲(chǔ)在變壓器中，這時(shí)，由于次級(jí)的二極管VD3的截止作用，使得變壓器不能向次級(jí)傳送能量；而當(dāng)VT1和VT2同時(shí)關(guān)斷的時(shí)候，由于反激的作用，變壓器初級(jí)的電壓反向，鉗位二極管VD1和VD2導(dǎo)通，以把原邊繞組的反激電壓和開(kāi)關(guān)管上的電壓鉗制在電源電壓Vdc。此時(shí)，存儲(chǔ)在變壓器的能量一部分向副邊傳遞，另一部分通過(guò)鉗位二極管返回給電容C1和C2。因而在反激時(shí)間內(nèi)，變壓器的磁通密度從峰值Bw下降到剩余磁通Br。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，VT1和VT2又同時(shí)開(kāi)通，以進(jìn)入下一個(gè)周期。整個(gè)電路通過(guò)連續(xù)地開(kāi)關(guān)VT1和VT2，就可以得到穩(wěn)定的直流輸出。

    由于實(shí)際電路的分布參數(shù)以及開(kāi)關(guān)管VT1和VT2的屬性并非完全相同，所以，VT1和VT2不是完全同時(shí)開(kāi)關(guān)。當(dāng)VT1先關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)T1、VT2和VD2組成回路續(xù)流，而當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，變壓器儲(chǔ)存的能量將向次級(jí)傳送；同理，當(dāng)VT2先關(guān)斷，變壓器初級(jí)T1、VT1和VD1將組成回路續(xù)流，并當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，變壓器存儲(chǔ)的能量向次級(jí)傳送。
    與一般采用單管加控制芯片的開(kāi)關(guān)電源不同的是，本設(shè)計(jì)采用了上下兩個(gè)MOSFET，這樣做的目的一是可以降低每個(gè)開(kāi)關(guān)管上承受的電壓，二是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不需要采用兩個(gè)控制芯片來(lái)控制，而只用一個(gè)PWM波就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。

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    圖2所示是本設(shè)計(jì)的主電路圖，圖中，D1和D2主要防止由于反激電壓串入DC電源引起DC電壓波動(dòng)，R1和R2取值相同，C1和C2的容值屬性均相同，這樣一方面可以平衡C1和C2上的電壓，另一方面可以降低C1的C2的耐壓。VT1和VT2共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，故可實(shí)現(xiàn)同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。  R3為采樣電阻，該主電路采用的是峰值電流控制模式。VT4的作用主要是外加保護(hù)。輔助繞組的設(shè)計(jì)主要是為控制電路供電。次級(jí)整流二極管后加π型濾波器的效果要比只用電容濾波更好，R4為假負(fù)載，主要是防止開(kāi)關(guān)電源的空載。R5，R6，tl431，pc817和R7共同組成反饋電路。

2 控制電路的設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)采用SG6841高集成環(huán)保模式PWM控制器，該控制器采用電流模式(逐周期電流限制)的工作方式，可以實(shí)現(xiàn)軟驅(qū)動(dòng)圖騰柱輸出的可調(diào)控的PWM波形，其輸出電壓可達(dá)18 V，足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路MOSFET。本設(shè)計(jì)還在PWM輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)耦合變壓器，這樣可用同一個(gè)PWM信號(hào)來(lái)控制兩個(gè)MOSFET，使Q1和Q2同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，還可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)MOSFET信號(hào)的隔離。另外，該控制器也可以提供欠壓鎖定和過(guò)溫保護(hù)功能，當(dāng)VDD小于10 V時(shí)，控制器內(nèi)部將鎖定，不再向外發(fā)送PWM波。
    本設(shè)計(jì)采用負(fù)載繞組給控制芯片SG6841供電，從主電路可知，輔助繞組和次級(jí)繞組處在相同的工作方式下，這在設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候只要根據(jù)次級(jí)輸出就可以確定輔助繞組的設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在雙管反激電路中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管中間有一個(gè)懸浮地，因而不能直接驅(qū)動(dòng)，所以，這里采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方法來(lái)使VT1和VT2公用同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
    圖3所示是本設(shè)計(jì)的控制芯片電路及驅(qū)動(dòng)電路，圖中，R3接在直流電壓DC端主要用來(lái)啟動(dòng)，當(dāng)流入3腳的電流足夠啟動(dòng)芯片的時(shí)候，芯片8腳Gate輸出PWM波，從而使主電路導(dǎo)通，電源開(kāi)始工作。R4主要確定芯片輸出PWM波的頻率，R5和C5組成電流采樣的匹配網(wǎng)路。由于芯片采用逐周峰值電流工作方式，故在初級(jí)線圈電流達(dá)到峰值時(shí)，芯片將關(guān)斷PWM波，變壓器向次級(jí)傳送能量。

    圖4所示是其系統(tǒng)中的輸入欠壓和輸出過(guò)壓保護(hù)電路。由于本開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)采用了輸入過(guò)壓和輸入欠壓保護(hù)，故當(dāng)輸入高于750 V或低于120V時(shí)，比較器的2腳電壓值會(huì)高于2．5 V或比較器的5腳會(huì)低于2．5 V，本設(shè)計(jì)采用精密可調(diào)線性穩(wěn)壓器TL431來(lái)產(chǎn)生2．5 V的基準(zhǔn)源，并分別給比較器的3腳和6腳供電，這樣，在比較器的1腳或7腳就會(huì)產(chǎn)生低電平，Q5由于基級(jí)電壓過(guò)低而截止，線性光耦U5的發(fā)光二極管不能發(fā)光。這時(shí)，由于Q4S接到輸出儲(chǔ)能電容上，Q4C和Q4S不能組成通路，所以，加在Q4管的GS間的電壓Ugs為零，開(kāi)關(guān)管Q4關(guān)斷，電源不能向后面負(fù)載供電，從而實(shí)現(xiàn)欠壓和過(guò)壓保護(hù)功能。[!--empirenews.page--]

3 電路變壓器的設(shè)計(jì)
    采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)不會(huì)影響主電路中變壓器的設(shè)計(jì)，故可根據(jù)《開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)指南》中相關(guān)介紹來(lái)計(jì)算變壓器參數(shù)，本設(shè)計(jì)選用TDK公司的PC40EE25高頻磁性材料作為鐵芯，變壓器的參數(shù)計(jì)算如下：
   
    根據(jù)反激式變壓器的伏秒面積相等原理可知：
   
    式中，Ac為有效磁芯面積，單位為cm2，Bmax為最大磁通密度，單位為G(高斯Wb／cm2)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    目前，筆者采用該技術(shù)成功地設(shè)計(jì)出了一種輸入范圍為120～800 V，輸出功率為20 W的輔助開(kāi)關(guān)電源。
    本設(shè)計(jì)采用直流120～800 V輸入，輸出單路為20 V／1 A，其實(shí)驗(yàn)的工作頻率f為100 kHz，主變壓器選用PC40 EE25高頻磁芯，驅(qū)動(dòng)隔離變壓器選用T57 R12．5x7．5x5高頻脈沖變壓器磁芯，主開(kāi)關(guān)VT1和VT2選用APT 4M120K N溝道MOSFET，鉗位二極管VD1和VD2選用HER308肖特基二極管，整流二極管VD3選用CQ504，保護(hù)電路開(kāi)關(guān)管VD4選用IRF9640 P溝道MOSFET。

5 結(jié)束語(yǔ)
    實(shí)驗(yàn)證明，由于本設(shè)計(jì)采用了反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，電路工作穩(wěn)定度好。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是整個(gè)電路使用元器件少，本身固有效率高(典型效率為80％)，采用單片開(kāi)關(guān)控制，整體設(shè)計(jì)比較經(jīng)濟(jì)，又因?yàn)楹椭鞴β驶芈贩珠_(kāi)，從而避免了相互干擾，提高了可靠性。