LFR發(fā)電系統(tǒng)中直流輔助電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王銳東，馬 軍，俞天智

(1. 蘭州交通大學(xué) 國(guó)家綠色鍍膜技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，儲(chǔ)量巨大，是未來(lái)可再生能源的主力軍，其缺點(diǎn)是照射到地面單位面積上的能流密度低[1-2].現(xiàn)階段世界上太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的研究主要集中在太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能光熱發(fā)電兩大領(lǐng)域[3].目前國(guó)際上流行的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)主要有線性菲涅爾式、塔式、槽式和碟式.線性菲涅爾式(linear fresnel reflector,LFR)聚光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一次反射鏡近地面安裝，抗風(fēng)能力強(qiáng).二次聚光器在一定的高度固定安裝，不使用旋轉(zhuǎn)的高溫接頭，解決了旋轉(zhuǎn)接頭高溫動(dòng)密封的技術(shù)難題，吸熱管外加二次反射鏡不僅提高了光學(xué)效率，還減少了熱損失.整個(gè)鏡場(chǎng)布置緊密、用地效率高、成本低、系統(tǒng)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，被廣泛應(yīng)用于中低溫及高溫系統(tǒng)中.電源是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，LFR系統(tǒng)除了大功率電氣裝置外，還有主反射鏡的跟蹤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)直流電機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制器(PLC、觸摸屏等)、通信設(shè)備、輻照度測(cè)試儀、隔離驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)、位置、溫度、壓力、流量角度傳感器等小功率電氣元件都需要直流電源提供可靠的電源，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的影響.另外直流輔助電源的損壞會(huì)造成局部控制系統(tǒng)的停運(yùn)，使得高倍聚光的光斑偏離吸熱器，長(zhǎng)期的偏焦會(huì)對(duì)吸熱器的結(jié)構(gòu)壽命造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞.因此，設(shè)計(jì)可靠、穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)電源對(duì)線性菲涅爾太陽(yáng)能電站具有重要的意義.

本文設(shè)計(jì)了一種基于UC2842芯片的多路輸出輔助直流電源，并使用Saber軟件對(duì)直流輔助電源進(jìn)行仿真驗(yàn)證；在直流電源的電路原理圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，調(diào)試硬件電路；最后對(duì)其輸出電壓進(jìn)行測(cè)量.

1 直流輔助電源工作原理及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 工作原理

直流輔助電源系統(tǒng)主要由輸入電路、功率變換電路、輸出電路和控制電路構(gòu)成[7].

輸入的交流電經(jīng)整流、濾波處理后轉(zhuǎn)換為高壓脈動(dòng)直流電；高壓脈動(dòng)直流電經(jīng)PWM脈沖發(fā)生裝置、高頻變壓器、開(kāi)關(guān)管轉(zhuǎn)變成高頻脈沖電壓；高頻脈沖電壓經(jīng)高頻變壓器二次側(cè)降壓，再經(jīng)輸出端整流和濾波轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的直流電壓.采樣電路的作用是將輸出端的直流電壓釆樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而控制脈寬調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定.

1.2 直流輔助電源的設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)線性菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)直流輔助電源的使用要求、工作環(huán)境、輸入輸出要求，該直流輔助電源的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 直流輔助電源設(shè)計(jì)參數(shù)

2 直流輔助電源的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 濾波及整流電路設(shè)計(jì)

電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)濾波電路是當(dāng)市電進(jìn)入電源前端后進(jìn)行的干擾處理電路，對(duì)外界的電磁干擾進(jìn)行處理，并加以消除[8].本設(shè)計(jì)采用單級(jí)EMI結(jié)構(gòu)，如圖1所示.該濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小.C9、C8電容主要用來(lái)消除差模干擾，C6、C12電容消除共模干擾，T2為共模電感，它的兩個(gè)線圈磁通方向相同，磁環(huán)選擇低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán).經(jīng)耦合后的總輸入電感量對(duì)共模信號(hào)的感抗極大，導(dǎo)致通過(guò)性變差，當(dāng)有共模電流通過(guò)時(shí)，兩個(gè)線圈上產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)互相加強(qiáng).

圖1 單級(jí)EMI濾波電路

利用二極管的單向?qū)ㄐ允沁M(jìn)行整流的最常用的電路.在本次設(shè)計(jì)中采用單相橋式整流電路.

2.2 DC-DC高頻反激變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器是直流輔助電源設(shè)計(jì)中的核心部件[9-10]，它的性能對(duì)整個(gè)電源的設(shè)計(jì)起著決定性的作用.該直流電源高頻變壓器有1個(gè)一次側(cè)初級(jí)繞組，3個(gè)二次側(cè)次級(jí)繞組輸出電壓分別為24 V、15 V、5 V.下面以5 V輸出繞組為例進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì).

2.2.1 變壓器的磁芯、鐵芯設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，常用的高頻磁芯材料較多，比如超微晶、納米晶和合金等材料，本設(shè)計(jì)中采用面積乘積法[11](AP法)完成高頻變壓器選擇.

AP=Ae×Aw=

(1)

其中：Ae為磁芯有效截面積；Aw為鐵芯窗口面積；Kc為變壓器的窗口利用系數(shù)，Kc可以通過(guò)原邊電流紋波系數(shù)求得為1；f為工作頻率，設(shè)計(jì)為100 kHz；ΔB為磁通密度擺幅，選用PC44材料，ΔB選擇0.24 T；Kj為電流密度常數(shù)，取433；X為常數(shù)，由所選磁性確定，取值為-0.17；Ku為鐵芯窗口利用系數(shù)，取0.2.

由輸出功率、電源的轉(zhuǎn)化效率，以及AP計(jì)算公式，得AP=0.43 cm4，通過(guò)查詢TDK公司磁芯手冊(cè)[12]，選用PC44PQ26/25作為磁芯，Ae=118 mm2，Aw=84.5 mm2，{AP}cm4={Ae}mm2×{Aw}mm2=0.997>0.43，符合基本設(shè)計(jì)要求.

2.2.2 原、副邊繞組匝數(shù)及匝比

以5 V輸出繞組為例進(jìn)行變壓器匝數(shù)和匝比的計(jì)算.設(shè)變壓器的匝比為n，則

(2)

其中：Vin,min為最小輸入電壓；Dmax為最大占空比；Io3、Vo3為5 V副邊輸出電流、電壓.

設(shè)原邊繞組匝數(shù)為Ns，副邊繞組匝數(shù)為Np，Vf為5 V輸出整流管的正向電壓，Vo為副邊輸出電壓.

(3)

{Np}匝=n×{Ns}匝=23.9×2=47.8.

(4)

則5 V輸出繞組匝數(shù)為2匝，即每匝電壓為2.5 V；同理可計(jì)算得24 V輸出繞組為10匝；15 V輸出繞組為6匝.

2.3 UC2842電源芯片及外圍電路設(shè)計(jì)

本電源控制芯片采用的是電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC2842[13]，其外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示.啟動(dòng)電路主要由R5、R8、C15組成.當(dāng)電路初次上電時(shí)，UC2842通過(guò)R5、R8充電使C15端電壓達(dá)到16 V，保證脈沖輸出電路正常工作，然后由輔助繞組對(duì)其供電.

圖2 UC2842外圍電路

時(shí)鐘振蕩電路由芯片定時(shí)電阻R14和C20構(gòu)成.通過(guò)查閱UC2842芯片手冊(cè)，得到工作頻率在100kHz時(shí)，電容C20大小通常取2.2nF，芯片定時(shí)電阻R14阻值由式(5)計(jì)算得到.

(5)

采樣電阻R16將峰值電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)UC2842的3腳反饋到電源控制芯片構(gòu)成檢測(cè)電路.

誤差補(bǔ)償電路由電容C19和接在D端的光耦反饋回路組成.UC2842的6腳發(fā)出PWM脈沖波形控制開(kāi)關(guān)管通斷.

2.4 光耦隔離式反饋回路設(shè)計(jì)

反饋回路主要有光耦元件PC817和穩(wěn)壓管TL431組合形成反饋環(huán)路[14-15].電路設(shè)計(jì)如圖3所示.R17和R18經(jīng)過(guò)分壓后將調(diào)整后的采樣電壓與TL431提供的基準(zhǔn)電壓2.5V電壓進(jìn)行比較.當(dāng)采樣電壓與TL431參考電壓相同，TL431陰極電位無(wú)變化，光耦流過(guò)的電流不足以使光耦三極管導(dǎo)通，輸出占空比不變；當(dāng)采樣電壓大于參考電壓時(shí)，TL431陰極電位變低，流過(guò)電流增大，同時(shí)光耦電流增大導(dǎo)通，UC2842腳電位被拉低，UC2842動(dòng)作，輸出脈沖占空比下降，控制輸出電壓變小.為了提高控制精度，本設(shè)計(jì)通過(guò)環(huán)路補(bǔ)償來(lái)解決由于負(fù)載變化而引起的輸出電壓波動(dòng)問(wèn)題.

圖3 光耦隔離式反饋回路

2.5 次級(jí)輸出回路設(shè)計(jì)

變壓器次級(jí)輸出端主要由整流電路和濾波電路構(gòu)成.整流電路選擇肖特基二極管，這類二極管有較低的壓降,損耗少，可提高電源板工作效率，它適用于低壓大電流的電路中.

設(shè)Vp為次級(jí)繞組最大反向電壓，反向電壓為VD，則有：

(6)

VD≥1.25Vp.

(7)

24V輸出繞組整流二極管反向電壓VD1≥114.11V；15V輸出繞組整流二極管反向電壓VD2≥69.225V；5V輸出繞組整流二極管反向電壓VD3≥22.81V.

綜合以上電壓電流指標(biāo)，24V輸出端使用SR5200，最大反向電壓200V；其余兩路輸出選用具有極短反向恢復(fù)時(shí)間的肖特基二極管SR5100，最大反向電壓100V.

輸出濾波電容組成了次級(jí)輸出濾波電路，它具有儲(chǔ)能和濾波的作用.當(dāng)MOS管導(dǎo)通，由于整流二極管反偏，次級(jí)繞組無(wú)能量輸出，負(fù)載流過(guò)的能量?jī)H由電容提供.本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)470μF/35V的大容量電解電容并聯(lián)，最終設(shè)計(jì)的整體電路如圖4所示.

圖4 反激式變換器輸出回路

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖在SaberSketch構(gòu)建仿真模型.系統(tǒng)上電后，UC2842的管腳VCC端電壓迅速能夠達(dá)到13V，保證PWM芯片能夠正常工作，如圖5所示，啟動(dòng)后管腳電壓穩(wěn)定在13V左右.頻率設(shè)置端接時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)波形如圖6所示，相鄰波峰之間時(shí)差約為10μs，對(duì)應(yīng)UC2842的工作頻率為100kHz.

圖5 UC2842啟動(dòng)電壓波形圖

圖6 UC2842芯片時(shí)鐘信號(hào)

UC2842芯片15V輸出電壓驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)及各路電壓輸出波形如圖7、圖8所示.

從圖7芯片輸出信號(hào)的PWM波形可以看出，UC2842時(shí)鐘震蕩波形信號(hào)輸出穩(wěn)定，證明電路工作狀態(tài)穩(wěn)定，電路搭建合理可靠，能夠保證功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的MOSFET正常通斷.

圖7 UC2842驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)

從圖8直流輔助電源副邊輸出電壓波形可以看出，當(dāng)時(shí)間點(diǎn)在0.004s到0.01s時(shí)，三組輸出電壓都在0.6ms左右迅速上升到最大值，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整之后，各輸出電路電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最后5V、15V、24V端口實(shí)際輸出電壓穩(wěn)定在4.8V、15.8V、24.3V，誤差符合設(shè)計(jì)要求，輸出穩(wěn)定.

圖8 各路輸出電壓波形圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)其電路原理圖設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的PCB電路，并在AltiumDesigner中針對(duì)各元件封裝生成了3D效果圖.對(duì)應(yīng)的3D效果圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖9、圖10.

圖9 PCB 3D效果圖

圖10 直流電源實(shí)物圖

以輸入交流電壓200V為例，采用萬(wàn)用表對(duì)各路輸出電壓進(jìn)行了測(cè)試，在不同輸入交流電壓下各路輸出電壓測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 直流輔助電源輸出電壓測(cè)量值

由表2可知，三路輸出電壓測(cè)量值接近要求電壓的值，平均誤差小于6%.

4 結(jié)論

本文以UC2842芯片為核心，設(shè)計(jì)一種用于LFR系統(tǒng)的直流輔助電源，完成了直流輔助電源的保護(hù)電路、濾波電路、AC-DC整流濾波電路、DC-DC高頻反激變壓器、UC2842電源芯片、開(kāi)關(guān)管外圍電路、光耦隔離式反饋回路設(shè)計(jì)，以及電源的整體設(shè)計(jì).該電源輸入為交流220×(1±0.10)V，三路直流輸出分別為24 V、15 V、5 V.并使用Saber軟件對(duì)該電源原理圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明，該直流輔助電源三路輸出直流電壓穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)際需求.可以為線性菲涅爾太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的單片機(jī)、輻照度測(cè)試儀、隔離驅(qū)動(dòng)電路、控制器等小功率器件提供可靠的直流工作電壓.