風(fēng)電變頻器開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

■ 方院生 呂躍剛 王琦

"(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院；2.華北電力大學(xué))

一 引言

隨著雙饋式風(fēng)機(jī)和永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作為其中核心部件的大功率變頻器越來(lái)越受到重視。因此，變頻器對(duì)其低壓電源的設(shè)計(jì)性能要求亦越來(lái)越高。

與線性穩(wěn)壓變壓器電源相比，開(kāi)關(guān)電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 節(jié)能環(huán)保。綠色開(kāi)關(guān)電源的效率一般可達(dá)85%，質(zhì)量好的可達(dá)到95%，而鐵芯變壓器的效率只有40%～50%。(2) 體積小，重量輕。(3) 開(kāi)關(guān)電源具有各種保護(hù)功能，不易損壞。鐵芯式線性變壓器由于本身原因或使用不當(dāng)，發(fā)生短路或斷路的事故較多。(4) 改變輸出電壓、電流較容易，且穩(wěn)定、可靠。

風(fēng)力發(fā)電變流器對(duì)低壓電源的要求較高，如自身功耗小、輸出功率大，體積小、質(zhì)量輕，且須有我自保護(hù)功能；同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電變頻器還要有相互隔離的多通道電源。這些是鐵芯式變壓器所不能滿足的，卻是開(kāi)關(guān)電源更適合變頻器電源的原因所在。

二 變頻器開(kāi)關(guān)電源的原理

1開(kāi)關(guān)電源的基本原理

開(kāi)關(guān)電源(Switching Power Supply)是以功率半導(dǎo)體器件為開(kāi)關(guān)元件，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。

開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程主要是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小(導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小)。功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的損耗，故能在低損耗下實(shí)現(xiàn)多直流電源供給。

PWM開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈沖的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。

由于變頻器自身特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源輸入電路部分可直接從直流母線處獲取。因此，變頻器的開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)主要由6大部分組成：輸入電路、功率因數(shù)校正、功率轉(zhuǎn)換、輸出電路、控制電路和頻率振蕩發(fā)生器，如圖1所示。

高頻電子開(kāi)關(guān)是電能轉(zhuǎn)換的主要手段和方法。在一個(gè)電子開(kāi)關(guān)周期(T)內(nèi)，電子開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間ton與一個(gè)電子周期所占時(shí)間之比為接通占空比(D)。很明顯，接通占空比(D)越大，負(fù)載上的電壓越高。

2反激式原理

開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)形式有很多種，按PWM方式來(lái)分有反激式變換器和正激式變換器。所謂反激式是指變壓器的初級(jí)性與次級(jí)性相反，同理，正激式是指變壓器的初級(jí)性與次級(jí)極性相同。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電變頻器和本文選擇的器件，這里僅介紹單端反激式電源，如圖2所示。

圖2 反激式變換電路

當(dāng)單端反激式變換器在原邊開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)才向負(fù)載釋放能量，故高頻變壓器既起到變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。因此，單端反激式變換器又稱(chēng)為“電感儲(chǔ)能式變換器”。

三 變頻器開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1器件的選型

(1) 開(kāi)關(guān)電源控制器IC

UC3844B芯片是固定頻率的高性能電流方式控制器，是專(zhuān)用于產(chǎn)生PWM波形芯片。該集成電路的特點(diǎn)是，具有振蕩器、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。圖3為3844B內(nèi)部組成框圖。1腳外接阻容元件，用來(lái)補(bǔ)償誤差放大器的頻率特性；2腳是反饋電壓輸入端，將取樣電壓加到誤差放大器的反向輸入端；3腳是電流檢測(cè)輸入端；4腳外接鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻和定時(shí)電容，決定震蕩頻率；8腳基準(zhǔn)電壓輸出Vref。

圖3 UC3844B內(nèi)部組成框圖

(2) TL431工作原理

TL431集成電路是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。其電壓基準(zhǔn)如同低溫度系數(shù)齊納管一樣運(yùn)行，通過(guò)2個(gè)外部電阻可從Vref編程至36V，其等效電路圖如圖4所示。它相當(dāng)于一只可調(diào)節(jié)的齊納穩(wěn)壓二極管，輸出電壓由外部的電阻R1、R2決定。TL431的工作原理為：當(dāng)輸出電壓Vo上升時(shí)，取樣電壓Vref也隨之上升，使取樣電壓大于基準(zhǔn)電壓Vref，致使晶體管VT導(dǎo)通，其集電極電位下降，即輸出電壓Vo下降。

(3) RCD保護(hù)電路

開(kāi)關(guān)電源輸入端電源多是從直流母線電壓獲取，反激變換功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)將引起電壓尖峰，必須用箝位電路加以抑制。RCD保護(hù)電路用以緩沖MOS管在高頻工作環(huán)境下關(guān)斷時(shí)因?yàn)檎螂娏餮杆俳档投删€路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。

如圖5所示，由R、C、D構(gòu)成RCD吸收回路。根據(jù)楞次定律，MOS管關(guān)斷時(shí)，會(huì)在變壓器T1的原邊產(chǎn)生一個(gè)數(shù)倍于輸入電壓的瞬間電壓(反電動(dòng)勢(shì)約等于輸入電壓，di/dt、du/dt越大，反電動(dòng)勢(shì)越大)。所以需要注意的是MOS管的選取耐壓要在輸入電壓兩倍以上。

2電路設(shè)計(jì)

變頻器開(kāi)關(guān)電源的核心部件主要有控制IC和功率開(kāi)關(guān)管。如圖6所示，變頻器電源供給可直接從直流母線上獲取電源，然后根據(jù)需要，可設(shè)計(jì)不同電壓水平的開(kāi)關(guān)電源。此處以5V開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明變頻器開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵之處。

UC3844系列是固定頻率的高性能電流方式控制器，它利用固定頻率調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制輸出電壓。交流電壓經(jīng)由C1、C2、L1構(gòu)成的EMI濾波器，濾除開(kāi)關(guān)噪聲和由輸入線路引起的諧波。C1、C2、C3組成抗串模干擾電路，用以抑制正態(tài)噪聲。交流電經(jīng)濾波電路處理后進(jìn)入整流器后得到直流電壓。此電壓經(jīng)高頻變壓器初級(jí)開(kāi)關(guān)功率管的漏極提供驅(qū)動(dòng)電壓。N3是反饋電路線圈，經(jīng)二極管D6、R5給IC1工作運(yùn)行電壓。N3的另一個(gè)作用是監(jiān)視、監(jiān)測(cè)電路在運(yùn)行中是否出現(xiàn)不良，并將有關(guān)信息送到IC1中進(jìn)行處理。R4、C5是決定該電路工作頻率的重要元件，決定振蕩頻率。

圖6 反激式脈寬調(diào)制原理圖

UC3844進(jìn)行電路保護(hù)原理如圖6所示。如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過(guò)流時(shí)，開(kāi)關(guān)MOS管的漏極電流將大幅度上升，R6端電壓也會(huì)上升。當(dāng)該引腳電壓超過(guò)正常值而達(dá)到1V以上時(shí)，UC3844的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這是UC3844的6腳無(wú)輸出，MOS1管截止，即保護(hù)了電路。如果供電電壓過(guò)高，IC1無(wú)法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級(jí)繞組電壓升高，使IC1的7腳電壓升高，同樣關(guān)閉輸出。如果人為意外將輸出電路短路，這時(shí)RF自恢復(fù)開(kāi)關(guān)會(huì)因?yàn)殡娏髟龃蠖斐蓛?nèi)部發(fā)熱量的增加，最終使其電阻值變大，起到關(guān)斷電路的作用。而在故障排除后，RF又能夠在極短時(shí)間內(nèi)快速恢復(fù)阻抗。

由于實(shí)驗(yàn)室示波器顯示數(shù)據(jù)不能下載的緣故，故只能將設(shè)計(jì)的效果展示，如圖7所示。盡管在變頻器直流母線電源U1上電瞬間不是很穩(wěn)定，為急劇上升直至穩(wěn)定的過(guò)程，但經(jīng)過(guò)控制芯片自身調(diào)節(jié)至合適占空比的情況下，能保證U2恒定輸出，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，很能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣氣候和強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電變頻器要求多通道相互隔離的電源設(shè)計(jì)，僅需要添加少量的電路元件就可完成，成本低；且需占用太大空間，對(duì)變頻器空間利用率提高有很多幫助。應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電變頻器中的開(kāi)關(guān)電源經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)安全高效可靠。

四 結(jié)論

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)具有其本身的優(yōu)缺點(diǎn)，關(guān)鍵性的技術(shù)問(wèn)題是干擾問(wèn)題。在功率管不斷開(kāi)啟關(guān)斷狀態(tài)下工作的高頻率開(kāi)關(guān)電源，首先是產(chǎn)生穩(wěn)定的電源供應(yīng)；其次是不能產(chǎn)生超標(biāo)的電磁干擾而破壞電磁環(huán)境。這時(shí)選取電解電容值時(shí)不能過(guò)低，否則造成紋波現(xiàn)象，無(wú)法給設(shè)備正常供電。開(kāi)關(guān)電源因其優(yōu)越的性能，體積小、重量輕、功率大，在風(fēng)電變頻器應(yīng)有中有廣泛的前景。

[1] 趙同賀, 劉軍. 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

[2] 沙占友, 馬洪濤, 王書(shū)海, 等. 特種集成電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2007.

[3] 劉萍. 一種適合教學(xué)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及調(diào)試[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2009, 303(16): 208－210.