寬輸入多輸出雙管反激式輔助電源研究

靳利光，郭長亮，楊 志，羅文清

( 1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310000；2.國網(wǎng)松原供電公司，吉林 松原 1380002；3.國網(wǎng)甘孜供電公司，四川 甘孜 626000; 4.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

寬輸入多輸出雙管反激式輔助電源研究

靳利光1，郭長亮2，楊 志3，羅文清4

( 1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310000；2.國網(wǎng)松原供電公司，吉林 松原 1380002；3.國網(wǎng)甘孜供電公司，四川 甘孜 626000; 4.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

針對光伏和儲(chǔ)能電池輸出直流電壓變化范圍寬的問題，設(shè)計(jì)一款寬輸入多輸出雙管反激式輔助電源，為光伏逆變器或儲(chǔ)能變流器輔助供電。采用可變開關(guān)頻率控制策略，根據(jù)負(fù)載變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，以減小開關(guān)損耗。采用推挽式變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)輸入輸出端的電氣隔離，提高了驅(qū)動(dòng)信號的同步性和控制核心的可靠性。利用三端穩(wěn)壓器和線性光耦實(shí)現(xiàn)輸入輸出的反饋和隔離，設(shè)計(jì)了多路輸出電壓反饋電路，提高輔助電源的穩(wěn)定性。搭建輸入電壓為DC200～900V實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了寬輸入多輸出雙管反激式輔助電源的正確性和可行性。

雙管反激式；輔助電源；寬輸入多輸出；高頻變壓器；多路反饋

將光伏儲(chǔ)能接入電網(wǎng)的電力電子裝置中，不同器件工作電壓不完全相同，所以需要輔助電源系統(tǒng)能夠提供多等級直流電壓，以滿足不同器件工作電壓的需求[1-2]。目前，已有輔助電源解決方案是取網(wǎng)側(cè)交流電或光伏儲(chǔ)能電池直流電經(jīng)各種功率變換為裝置供電。

采用網(wǎng)側(cè)交流電，經(jīng)工頻變壓器降壓、整流等一系列變換得到需要等級電壓為裝置供電，它的缺點(diǎn)有：1)增加接線難度；2)工頻變壓器體積大；3)效率低且成本高；4)光照度太低時(shí)，逆變器停止工作，網(wǎng)側(cè)輔助電源繼續(xù)供電，增加功耗。采用光伏或儲(chǔ)能電池直流電時(shí)，文獻(xiàn)[3]提出固定開關(guān)頻率下AC85～265V輸入的單管反激變換電路，RCD吸收電路帶來的能耗[4]，使得單管反激電路傳輸效率下降；其次隨著電壓等級的不斷提高，功率管承受電壓范圍有限，限制其只能用于中低壓環(huán)境。文獻(xiàn)[5-6]采樣單路輸出電壓作為反饋信號，當(dāng)其他輸出回路負(fù)載有較大變化時(shí)，同樣會(huì)影響有反饋回路的穩(wěn)定性，降低開關(guān)電源的可靠性。文獻(xiàn)[7-9]為減少開關(guān)損耗，采用軟開關(guān)技術(shù)，但缺點(diǎn)是額外增加開關(guān)管，增加了電路的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)成本。

針對以上缺點(diǎn)，本文提出以雙管反激式為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的寬輸入多輸出輔助電源設(shè)計(jì)方案。采用可變開關(guān)頻率控制器實(shí)現(xiàn)在不同輸入電壓和負(fù)載情況下的不同開關(guān)頻率控制，降低輕載下開關(guān)損耗。通過對輸出兩路電壓不同程度分壓合成基準(zhǔn)電壓，實(shí)現(xiàn)多端反饋控制。輸入端為直流母線電壓，可以達(dá)到黑啟動(dòng)效果[10]，適合輸入電壓變化范圍大的光伏儲(chǔ)能變流裝置等應(yīng)用場合。

1 輔助電源設(shè)計(jì)方案

開關(guān)電源主要采用雙管反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可變開關(guān)控制芯片作為核心控制組件，設(shè)計(jì)模塊主要有：功率電路模塊，啟動(dòng)電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，反饋電路等。

1.1 功率主電路[11-13]

雙管反激式變換電路具有寬范圍輸入特性，在光伏儲(chǔ)能等發(fā)電系統(tǒng)輸出直流電壓變化范圍寬的場合具有很高的應(yīng)用價(jià)值。主拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)主開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時(shí)，高壓直流側(cè)通過開關(guān)管S1、S2、高頻變壓器形成回路， 將能量存儲(chǔ)在變壓器的磁路中；當(dāng)主開關(guān)管S1、S2關(guān)斷后，變壓器與D1、D2形成回路，由于初級電流不能突變，電路又將之前存儲(chǔ)的磁能轉(zhuǎn)化成電能，由變壓器次級向負(fù)載端輸出，完成能量的傳遞。

雙管反激變換電路根據(jù)負(fù)載條件和輸入電壓的變化可分為兩種工作模式：即連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。當(dāng)電路工作在CCM模式時(shí)，有

當(dāng)電路工作在DCM時(shí)，有

式中：N1、N2分別是變壓器初級次級匝數(shù)，LP是變壓器初級電感，RL是負(fù)載等效電阻，Ts為導(dǎo)通開關(guān)周期。

在雙管反激電路中，其最大占空比不能超過50%，因?yàn)殚_關(guān)管關(guān)斷，變壓器進(jìn)入復(fù)位時(shí)間，由于D1、D2將變壓器電壓鉗位在Vin，所以變壓器復(fù)位電壓必須滿足以下條件：

VinD≤Vres(1-D)≤Vin(1-D)

推出D≤50%。當(dāng)?shù)蛪狠斎肭覞M負(fù)載輸出時(shí)，根據(jù)伏秒數(shù)法則可知，雙管反激電路最大占空比為

1.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)

1.2.1 磁芯選擇

在雙管反激式輔助電源中，其核心是高頻變壓器的設(shè)計(jì)。開關(guān)電源的性能和開關(guān)管工作狀態(tài)的優(yōu)劣很大程度上受高頻變壓器的影響。高頻變壓器不僅具有變壓隔離功能，還起到儲(chǔ)能電感的作用。設(shè)計(jì)磁性元件與特制或成品電感不同，須加氣隙提高磁芯的能量存儲(chǔ)能力，若無氣隙或氣隙太小，磁芯一旦存儲(chǔ)少許能量就容易達(dá)到飽和，導(dǎo)致電路無法正常工作；若氣隙太大，則必然導(dǎo)致線圈匝數(shù)增多，增大繞組的銅耗，且漏感過大將大大減小電路的效率。故此時(shí)根據(jù)實(shí)用性進(jìn)行折中選擇，通常采用如下公式：

(1)

式中：Pin=Po/η(約)；f為最高頻率65 kHz；r為電流紋波率。在設(shè)計(jì)離線式變壓器時(shí)，需要降低高頻銅耗、減小變壓器體積等各種原因，通常r取0.5左右。將以上數(shù)據(jù)帶入式(1)可得Ve=6.282 cm3。查閱文獻(xiàn)[14]可知EI30中有符合要求的規(guī)格，且鐵芯的等效長度和面積參數(shù)已給出：le=5.78 cm，Ae=1.10 cm2，Ve=leAe=6.358 cm3，剛好滿足要求。

圖1 雙管反激式原理圖

1.2.2 初次級匝數(shù)計(jì)算

初級匝數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中：Von為次級電壓在初級等效電壓；磁通密度變化BPK=0.3 T；最大占空比Dmax=0.5。將以上數(shù)據(jù)帶入式(2)得初級線圈匝數(shù)n1≈64。初次級匝數(shù)之比為n=Von/(Vo+VD)≈6.96，式中Vo=15V，VD是整流二極管導(dǎo)通壓降。次級n2+n3=n1/n≈10，根據(jù)電壓和匝數(shù)之間的關(guān)系可知n2=2，n3=8。

1.2.3 變壓器磁芯氣隙計(jì)算

變壓器存在氣隙是為了防止磁飽和，合適的氣隙長度有助于傳輸效率的提高。考慮到材料的磁導(dǎo)率，初級電感L與磁導(dǎo)率的相關(guān)方程有

其中氣隙系z=(le+lg)/le，L=η(UminDmax)2/2fPo，lg為氣隙長度，相對磁導(dǎo)率系數(shù)μ=2000，自由空間磁導(dǎo)率μ0=4π10-7H/m。

對于鐵氧體材料的高頻氣隙變壓器，z的取值在10～20之間是較好的折中選擇。經(jīng)計(jì)算得，z=12，符合要求，則氣隙的長度為lg=0.319 mm。

1.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

為了提高整體輸出電壓的精度和響應(yīng)速度，采用多路電壓反饋電路。若反饋電路只采集單路輸出電壓作為反饋信號，當(dāng)其他無反饋輸出電路負(fù)載變化時(shí)，同樣會(huì)影響有反饋輸出電路的穩(wěn)定性，導(dǎo)致輔助電源整體性能下降。多路反饋電路是利用電阻R1，R2和R6分別對輸出電壓進(jìn)行分壓反饋，不同輸出電壓采用一定比例的權(quán)值。當(dāng)其中一路負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，采樣電壓發(fā)生變化，反饋給控制器，最終調(diào)節(jié)PWM頻率輸出。由C1、C2、R5構(gòu)成頻率補(bǔ)償回路，提高頻率響應(yīng)速度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)DC200～900V寬范圍輸入，DC15V/2A，12V/1A的多輸出雙管反激式輔助電源，最高工作頻率f=65 kHz。如圖2所示。

根據(jù)NCP1351工作原理可知，工作頻率由負(fù)載大小和輸入電壓高低決定。圖3為實(shí)驗(yàn)波形，當(dāng)負(fù)載升高到一定程度時(shí)，電源工作頻率被Ct鉗位在最大工作頻率處；當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，系統(tǒng)工作頻率下降，有效降低了功率管的開關(guān)損耗，提高在輕載條件下的系統(tǒng)效率。

圖2 雙管反激式裝置Fig.2 Dual switching flyback device

圖3 負(fù)載和頻率關(guān)系圖Fig.3 Relationship between load and frequency

如圖4所示為在不同輸入電壓和輸出負(fù)載條件下功率管的Vds和Vgs波形圖。由圖4可知，輸入電壓相同時(shí)，負(fù)載越大，開關(guān)頻率越高，且導(dǎo)通時(shí)間越長；負(fù)載相同時(shí)，輸入電壓越高，開關(guān)頻率越高，且導(dǎo)通時(shí)間越短。圖4中Vds最高電壓值被鉗位在輸入電壓，保證了功率管的可靠性。

在滿載輸出情況下，圖5(a)為直流15 V、12 V輸出波形，圖5(b)是直流15 V、12 V的交流紋波，兩路輸出紋波基本在100 mV范圍內(nèi)，15 V峰尖值不超過180 mV，12 V峰尖值不超過150 mV。

利用功率分析儀測量在滿載輸出時(shí)，不同輸入電壓下的效率以及輸出電壓值，如表1所示。

表1電源輸入輸出特性

Table1Powerinput/outputcharacteristics

輸入電壓/V輸出電壓/V效率/%空載損耗/mW20015．12 12．0979．231030015．13 12．0977．836040015．14 12．0876．542050015．14 12．0874．749060015．15 12．0872．653070015．15 12．0771．260080015．15 12．0669．074090015．16 12．0666．1910

圖4 Vsd和Vgs波形圖

圖5 直流輸出波形

輸入電壓的升高， 效率逐漸降低， 效率主要在70%～80%之間；同時(shí)，空載損耗也逐漸增多。輸出15 V、12 V通道電壓偏高，且隨著輸入電壓的升高都有一定的變化，但變化范圍較小。實(shí)驗(yàn)可知，在200～900V寬輸入電壓下，雙管反激式輔助電源輸出穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

以電流控制模式控制控制器，設(shè)計(jì)一款輸入電壓DC200～900V，輸出15V/2A、12V/1A的雙管反激式輔助電源，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、外圍電路少、高隔離、多反饋等特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在不同輸入電壓下輔助電源的工作情況，證明雙管反激式輔助電源具有良好的穩(wěn)壓性能，輸出電壓紋波小，效率較高，在光伏儲(chǔ)能等直流電壓變化范圍大的場合具有廣闊應(yīng)用前景。

[1] 喬爾敏, 蔡博, 趙國亮. 高電位工作電壓源換流器供電電源設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(3): 90-93.

QIAO Ermin, CAI Bo, ZHAO Guoliang. Power supply design for voltage source converter working at high voltage potential[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(3): 90-93.

[2] 陳圣倫, 金天均, 顧亦磊. 光伏發(fā)電系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù), 2007, 41(5): 1-3.

CHEN Shenglun, JING Tianjun, GU Yilei. Design of photovoltaic auxiliary power supply[J]. Power Electronics Technology, 2007, 41(5): 1-3.

[3] 張旭東. 一種反激式開關(guān)電源變換器的設(shè)計(jì)[D]. 成都: 成都電子科技大學(xué)，2012.

ZHANG Xudong. Design of a flyback switching power supply converter[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2012.

[4] 劉樹林, 曹曉生, 馬一博. RCD鉗位反激變換器的回饋能耗分析及設(shè)計(jì)考慮[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(33): 9-15.

LIU Shulin, CAO Xiaosheng, MA Yibo. Design and analysis on feedback energy loss of RCD clamping flyback converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(33): 9-15.

[5] 張慧濤, 黃先進(jìn), 葉斌. 基于電流控制型芯片的多路輸出反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]. 通信電源技術(shù), 2007, 24(1): 27-29.

ZHANG Huitao, HUANG Xianjin, YE Bin. Multiple-output flyback switching mode power supply based on current control model IC[J]. Telecom Power Technologies, 2007, 24(1): 27-29.

[6] 閆福軍, 梁永春. 一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中輔助電源設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 44(8): 14-16.

YAN Fujun, LIANG Yongchun. Design and realization of a photovoltaic auxiliary power supply[J]. Power Electronics Technology, 2010, 44(8): 14-16.

[7] ZHAO Jinbin, DAI Fengzhi. Soft-switching two-switch flyback converter with wide rang[C]//ICIEA 2008, Industrial Electronics and Applications. 2008: 250-254.

[8] MURTHY BELLUR D, KAZIMIERCZUK M K. Zero current transition two-switch flyback pulse-width modulated DC-DC converter[J]. IET Power Electronics, 2011, 4(3): 288-295.

[9] 陳德鵬, 孫馳, 艾勝.一種寬范圍雙管反激DC/DC輔助電源設(shè)計(jì)[J]. 電源技術(shù), 2014, 38(11): 2125-2129.

CHEN Depeng, SUN Chi, AI Sheng. Design of wide range double transistor flyback DC/DC auxiliary power supply[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2014, 38(11): 2125-2129.

[10] 王敏, 李想, 潘永春，等. 微電網(wǎng)黑啟動(dòng)研究綜述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2016, 36(3): 41-45.

WANG Min, LI Xiang, PAN Yongchun, et al. Overview of research on microgrid black-start[J]. Electric Power Automation Equipment, 2016, 36(3): 41-45.

[11] 顧曉明, 顧亦磊, 杜宇，等. 雙管反激型DC/DC變換器的研究[J]. 電力電子技術(shù), 2004, 38(3): 34-36.

GU Xiaoming, GU Yilei, DU Yu, et al. Study of dual switch flyback DC/DC converter, Power Electronics Technology[J]. Power Electronics Technology, 2004, 38(3): 34-36.

[12] MURTHY BELLUR D, KAZIMIERCZUK M K. Two-switch flyback PWM DC-DC converter in discontinuous conduction mode[J]. International Journal of Circuit Theory and Applications, 2011, 39(11): 849-864.

[13] 胡亮燈, 趙治華, 孫馳，等. 高電壓輸入雙管反激輔助電源驅(qū)動(dòng)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(4): 161-170.

HU Liangdeng, ZHAO Zhihua, SUN Chi, et al. Research on driver for high voltage input double-transistor flyback auxiliary power supply[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(4): 161-170.

[14] 王金寶. 電子變壓器手冊[M]. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

WANG Jinbao. Electric transformer manual[M]. Shenyang: Liaoning Science and Technology Publishing House, 2007.

Research on wide-input and multiple-output double-transistor flyback auxiliary power supply

JIN Liguang1,GUO Changliang2,YANG Zhi3,LUO Wenqing4

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company branch overhaul,Hangzhou, 310000, China; 2. State Grid Songyuan Power Supply Company,Songyuan 1380002,China; 3. State Grid Ganzi Power Supply Company,Ganzi 626000,China; 4. School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China;)

A wide-input and multiple-output dual-tube flyback auxiliary power supply is designed for the photovoltaic inverter and energy storage converter, which is a kind of auxiliary power supply for photovoltaic inverter and energy storage converter. Using variable switching frequency control strategy, according to the load changes dynamically adjust the switching frequency to reduce the switching losses. The use of push-pull transformer isolation drive circuit to achieve the input and output of the electrical isolation, improve the synchronization of the drive signal and control the reliability of the core. The feedback and isolation of the input and output are realized by using the three - terminal regulator and the linear optocoupler. The output voltage feedback circuit is designed to improve the stability of the auxiliary power supply. The input voltage is DC200V-900V experimental platform, which verifies the correctness and feasibility of the wide input and multiple output double flyback auxiliary power supply.

double-tube flyback; auxiliary power supply; wide input multiple output; high frequency transformer; multiple feedback

2017-02-27;

2017-04-29。

靳利光(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾履茉措娏﹄娮蛹夹g(shù)。

TM615;TM131.6

A

2095-6843(2017)05-0392-05

(編輯陳銀娥)