【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是次級(jí)占窗口高度，是兩線圈間間隔。 可見(jiàn)，漏感與初級(jí)匝數(shù)的平方成正比，與窗口的高度成反比。因此，減少匝數(shù)，選取大的窗口寬度可減少漏感。線圈之間的間隔越小，漏感也越小。減少漏感的主要方法是線圈交錯(cuò)繞，如果將初級(jí)線圈分成兩半，將次級(jí)線圈夾在中間，就可以大大地降低漏感[9]。先由已知的電源參數(shù)如輸出功率、電源效率、輸入電壓范圍，確定原邊最大平均電流：（224）可根據(jù)需要先確定一個(gè)最大占空比，有利于反饋回路的控制和減小輸出電容的應(yīng)力。由式（224）可以計(jì)算原邊電流的峰值：（225）式中是脈動(dòng)電流與尖峰電流的比值，式（225）同時(shí)適用于連續(xù)電流模式和斷續(xù)電流模式。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，～。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，=1。由此，原邊電感可計(jì)算如下式：（226）其中，是電源的工作頻率，由設(shè)計(jì)者自己設(shè)定，具體可以用定時(shí)電阻和電容加在控制IC芯片的外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)是選擇磁芯規(guī)格，大體上可以有兩種方式，一種是通過(guò)計(jì)算電源所需要的總功率先選擇功率合適的磁芯，最后通過(guò)窗口校核和磁密度校核來(lái)判定所選的變壓器是否合適。另一種是通過(guò)計(jì)算參數(shù)來(lái)選擇合適的變壓器，根據(jù)計(jì)算公式的不同，可以有面積乘積法和幾何尺寸參數(shù)法兩種，其區(qū)別在于：面積乘積法是把導(dǎo)線的電流密度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，而幾何尺寸參數(shù)法則是把繞組線圈的損耗即銅損作為設(shè)計(jì)參數(shù)。面積乘積法（也叫AP算法）的計(jì)算公式為：（227）式中，為磁芯窗口面積，為磁芯截面積，為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度。為窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決定，～。為電流密度系數(shù)，一般取左右。根據(jù)式（227）求得的值選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長(zhǎng)度之比比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減小漏感。一般都要在變壓器的磁芯開(kāi)氣隙，以防止磁勢(shì)飽和。根據(jù)選擇的磁芯，可以知道其具體參數(shù)，計(jì)算需要的最小氣隙長(zhǎng)度：（228）根據(jù)磁芯手冊(cè)上提供的曲線，確定的值，進(jìn)一步計(jì)算原邊匝數(shù)如下：（229）由原邊電感和已知的輸出電壓，可以計(jì)算副邊繞組的匝數(shù)和電感量：（230）（231）選取電流密度，計(jì)算原邊和副邊的導(dǎo)線線徑： （232）根據(jù)計(jì)算得到的導(dǎo)線直徑選擇合適的導(dǎo)線。最后通過(guò)窗口校核，如果符合就可以完成變壓器的設(shè)計(jì)了。應(yīng)該指出，變壓器的設(shè)計(jì)方法各有不同，計(jì)算出來(lái)的數(shù)值也不盡相同，必須要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，反復(fù)地調(diào)節(jié)變壓器的各種參數(shù)，直到滿足電源的技術(shù)要求。第三章 光伏并網(wǎng)逆變器中輔助電源的實(shí)現(xiàn)方案現(xiàn)有用TOPSwitch實(shí)現(xiàn)的單端反激式穩(wěn)壓電源的拓?fù)潆娐罚撾娫醋鳛槲夜疽淹度胧袌?chǎng)的較小功率的逆變器中的輔助電源，具有良好的性能。 TOPSwitch輔助電源的電路原理圖對(duì)于該輔助電源，其技術(shù)指標(biāo)為直流輸入120V～450V，多路直流輸出。如圖所示，輸出端接后續(xù)整流電路，由三端穩(wěn)壓芯片、共模電感、濾波整流電容等構(gòu)成，不屬于本文的討論范圍。由已知的技術(shù)參數(shù)，可以計(jì)算電源的輸出功率，保留一定裕量可取輸出功率。考慮變壓器、功率管等一些半導(dǎo)體器件的損耗及附加損耗，預(yù)選取電源的效率為，這也是常用的單端反激式開(kāi)關(guān)電源可以達(dá)到的效率。根據(jù)這些參數(shù)，就可以計(jì)算原邊繞組的最大平均電流，根據(jù)計(jì)算式：（31）計(jì)算。，其中原邊繞組匝數(shù)為匝，副邊繞組的匝數(shù)為3匝，且該副邊輸出電壓是作為反饋電壓控制來(lái)調(diào)節(jié)占空比的，另外的副邊繞組應(yīng)以該副邊為準(zhǔn)。因此，原副邊的匝數(shù)比n=55/3=。根據(jù)（32）式中，是TOPSwitch導(dǎo)通期間漏極源極的平均電壓值。從實(shí)際情形考慮，應(yīng)設(shè)在10V。計(jì)算。 TOPSwitch輔助電源變壓器的平面結(jié)構(gòu)圖TOPSwitch截止時(shí)，副邊二極管導(dǎo)通，在副邊繞組上的電壓反射到變壓器原邊繞組，TOPSwitch的漏極腳高壓將是該反射電壓疊加在直流輸入電壓上。除此之外，截止瞬間在漏極上，還有一個(gè)由變壓器原邊漏感引起的電壓尖峰。當(dāng)輸入電壓升到最高時(shí)，漏極的直流電壓接近最大值的最壞情形。因此，有必要在原邊繞組設(shè)置一個(gè)箝位電路，它包括一個(gè)齊納箝位二極管和一個(gè)阻斷反接二極管。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，齊納管的箝位電壓額定值，必須比反射電壓值大50%。通常規(guī)范箝位齊納管的額定電壓，是工作中低電流值和室溫下。高壓齊納管有較強(qiáng)的正溫度系數(shù)，并且有純電阻性能。因此，在大電流和高溫條件下，會(huì)明顯增大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，峰值高于規(guī)范的約40%[6]。所以在選用箝位齊納管時(shí)，就應(yīng)當(dāng)對(duì)此做出考慮。另外，串聯(lián)在箝位齊納管電路的阻斷二極管，由于它的反向恢復(fù)時(shí)間會(huì)引起尖峰電壓，故增加20V的余額是必須的。綜合考慮所有因素后，TOPSwitch漏極的最大電壓值計(jì)算如下：（33）。齊納二極管的額定電壓值。反向阻斷二極管應(yīng)采用超快回復(fù)高壓整流管，其反向恢復(fù)時(shí)間應(yīng)小于75ns。擊穿電壓值選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，TOP2系列用600V。，經(jīng)查閱，其漏源極最大額定電壓為700V，可見(jiàn)還留有37V左右的安全裕量。齊納箝位二極管型號(hào)為SMBJ170CAB，其反向耐壓值為170V，雙向?qū)ā７聪蜃钄喽O管型號(hào)是MUR160，它能承受的最大反向電壓是600V，反向恢復(fù)時(shí)間是50ns。設(shè)計(jì)電源工作在連續(xù)工作模式，設(shè)定脈動(dòng)和尖峰電流比，由計(jì)算式（34）。有效值計(jì)算式為：（35）。TOPSwitch規(guī)定一個(gè)最小電流限制值，產(chǎn)品資料中的該值是在室溫下的，為了適應(yīng)高溫時(shí)該參數(shù)的少量降低，必須考慮在高溫時(shí)下降10%來(lái)計(jì)算，即[6]，帶入數(shù)值計(jì)算。大于該數(shù)值的最小功率的TOPSwitch應(yīng)當(dāng)是作為最低功耗的首選器件。查閱TOP系列的資料，但是TOP243功耗最小，故選擇它?？紤]到電路長(zhǎng)期工作及使用環(huán)境，熱損耗比較大，有必要對(duì)TOPSwitch檢驗(yàn)溫升限制。由總損耗可以計(jì)算TOPSwitch的結(jié)點(diǎn)溫度：（36）式中，是TOPSwitch的導(dǎo)通損耗，是TOPSwitch的開(kāi)關(guān)損耗，是TOPSwitch的熱阻抗溫升系數(shù)。可由下式計(jì)算：（37）式中，是TOP243在高溫下的導(dǎo)通電阻，經(jīng)查閱，則。可由下式計(jì)算：（38）其中是開(kāi)關(guān)頻率，如果將頻率引腳（F）連接到源極引腳（S），則設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率為132KHz，如果連接到控制腳（C），則開(kāi)關(guān)頻率為66KHz。由于從產(chǎn)品資料上無(wú)法取得這一參數(shù)，作者考慮從電容充放電原理推算如下，由電容的電流電壓關(guān)系得到，查得TOP243的上升時(shí)間,關(guān)斷時(shí)間，而電壓變化則是從導(dǎo)通壓降到關(guān)斷期間TOP243兩端承受電壓的差值。計(jì)算導(dǎo)通壓降，計(jì)算關(guān)斷期間TOP漏源極承受的電壓。則。計(jì)算漏極的結(jié)電容，帶入式（38）計(jì)算查資料知道Y封裝的TOP243在有散熱片的情況下，帶入式（36），說(shuō)明該開(kāi)關(guān)管合適。確定原邊電感，由于在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，從原邊到副邊的傳遞能量，僅在于和之差，于是原邊電感量的計(jì)算如下式[6]：（39）式中Z是損耗分配因數(shù)，是副邊損耗與總損耗的比例值。如果Z=1，所有損耗都在副邊；如果Z=0，所有損耗都在原邊。帶入數(shù)值計(jì)算：。分析計(jì)算TOPSwitch的外圍電路，可以看到TOP243總共有7個(gè)引腳，其中第六個(gè)引腳缺省。4腳是功率MOSFET的源極連接點(diǎn)，用于高壓功率的回路，也是初級(jí)控制電路的公共點(diǎn)及參考點(diǎn)。5腳為選擇開(kāi)關(guān)頻率的輸入引腳，如果連接到源極引腳則開(kāi)關(guān)頻率為132KHz，如果連接到控制引腳（即1腳）則開(kāi)關(guān)頻率為66KHz。3腳為外部流限引腳，用于外部流限調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)控制和同步，如果連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。，3腳和4腳都接到源極引腳，說(shuō)明該電路的工作頻率是132KHz，且沒(méi)有用到外部流限等功能。2腳是線電壓檢測(cè)引腳，用于實(shí)現(xiàn)過(guò)壓（OV）保護(hù)、欠壓（UV）保護(hù)、降低的線電壓前饋、遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)和同步等功能。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。從圖中可以看到連接該引腳和整流的高壓直流總線的電阻為，TOPSwitch的資料中欠壓檢測(cè)電流，過(guò)壓檢測(cè)電流，由此可以計(jì)算欠壓保護(hù)電壓值：,計(jì)算過(guò)壓保護(hù)電壓值：。也就是說(shuō)電路在直流總線電壓小于110V時(shí)，TOP243保持關(guān)斷，該功能可以防止關(guān)斷時(shí)由輸入大容量電容緩慢放電而產(chǎn)生的干擾。當(dāng)直流總線電壓上升至大于495V后，將強(qiáng)制TOP243輸出關(guān)斷?？梢?jiàn)，當(dāng)同時(shí)使用欠壓和過(guò)壓保護(hù)功能時(shí)。當(dāng)然也可以單獨(dú)使用欠壓或過(guò)壓保護(hù)，該電路沒(méi)有欠壓保護(hù)的技術(shù)要求，但為了節(jié)省元件所以僅用了一個(gè)流限電阻。 僅實(shí)現(xiàn)欠壓的線電壓檢測(cè)（禁止過(guò)壓） 僅實(shí)現(xiàn)過(guò)壓的先電壓檢測(cè)（禁止欠壓）分析控制腳的外圍電路，用來(lái)過(guò)濾由開(kāi)關(guān)引起的高頻諧波，防止干擾控制腳電流及占空比的控制。R162和C142與其前饋電路光耦TLP181和精密寬電壓穩(wěn)壓管TL431形成反饋回路，提供環(huán)路補(bǔ)償，保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行。R162和C142為反饋回路引入一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)在原點(diǎn)的極點(diǎn)。TL431相當(dāng)于一個(gè)誤差放大器[10]，（5腳）相當(dāng)于誤差放大器的同相端，參考端（4腳）相當(dāng)于放大器的反相端，而陰極（3腳）相當(dāng)于放大器的輸出端?？梢钥吹秸`差放大器的同相接地，反向端和輸出端之間接了一個(gè)電容，這是一個(gè)典型的主極點(diǎn)補(bǔ)償電路，R105和C48為反饋回路引入一個(gè)在原點(diǎn)的極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。計(jì)算這兩個(gè)零點(diǎn)點(diǎn)頻率，第一個(gè)零點(diǎn)頻率為第二個(gè)零點(diǎn)頻率為。反饋回路的設(shè)置是一個(gè)值得深究的課題，本文以TL431和光耦TLP181為例進(jìn)行簡(jiǎn)單討論和分析。首先分析精密寬電壓穩(wěn)壓管TL431。 TL431的內(nèi)部框架等效圖要讓TL431正常工作，必須要滿足兩個(gè)條件：1）電壓條件：陽(yáng)極和陰極間的電壓；2）電流條件：陽(yáng)極和陰極間的電流。首先考慮電壓條件。光耦的前饋電流最大值一般可達(dá)到數(shù)十毫安，越大的意味著越大的損耗。光耦的原副邊電流傳輸比以100%為最佳，但是一般光耦的傳輸比CTR都是一個(gè)范圍[11]，如RankY型的TLP181的傳輸比為50%～150%?？紤]兩種最極端的情況是否滿足電壓條件。從光耦TLP181的副邊出發(fā)，集電極電流最大不超過(guò)50mA，資料建議的最大工作電流值為10mA，而發(fā)射級(jí)與TOP243的控制腳串聯(lián)，以提供反饋電流從而改變占空比。TOPSwitch具有自動(dòng)重啟動(dòng)功能，對(duì)于TOP243，將執(zhí)行自動(dòng)重啟動(dòng)；當(dāng)電流大于6mA時(shí)，占空比降為零，TOP243截止關(guān)斷?！?0mA。最壞的情況之一是，CTR=150%，原邊的電流，于是可以計(jì)算（310）式中是光耦原邊的正向?qū)▔航?，查看TLP181的曲線圖，在結(jié)溫下為1mA時(shí)對(duì)應(yīng)的為1V，帶入計(jì)算滿足條件。再考慮另一種最壞的情況即，CTR=50%，則計(jì)算原邊前向電流，查得，同樣用式（310）計(jì)算滿足條件?？梢裕谌魏吻闆r下。其次考慮電流條件，由于TL431與光耦的LED串聯(lián)，即流過(guò)LED的電流。從上述討論中已經(jīng)得知，的范圍是1mA～20mA，滿足大于1mA的電流條件。從資料中可以看到，的最大允許電流可以是100mA，設(shè)計(jì)的最大電流不超過(guò)這個(gè)值，滿足器件規(guī)格。很多設(shè)計(jì)都在LED兩邊并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮?，是為了保證給TL431提供足夠的電流，避免，本電路中沒(méi)有采用。TL431的靜態(tài)工作點(diǎn)由R105和R106這兩個(gè)電阻決定，主要是提供對(duì)輸出電壓的采樣。為了保證TL431能正常工作，參考端電流的最小值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最好能不小于。，因此為滿足條件。為了保證電壓在大電流的時(shí)候，不因?yàn)镻CB的銅箔阻抗下降到離5V太遠(yuǎn)，所以R105取值比R106稍微大些，可以選用和的兩個(gè)電阻串聯(lián)使用。根據(jù)選取的兩個(gè)取樣電阻以及TL431的精度，可以對(duì)輸出精度進(jìn)行估算?，F(xiàn)選取的兩個(gè)取樣電阻的精度為1%，TL431選取2%精度的型號(hào)。記輸出電壓為，由分壓關(guān)系可得：（311）對(duì)求全微分，并把改為正值，則：（312）等式兩邊同除以，得：（313）其中兩個(gè)電阻值相等，帶入上式可以得到，滿足設(shè)計(jì)要求精度為5%的輸出要求。以上是TL431的靜態(tài)工作點(diǎn)分析，接下來(lái)進(jìn)一步分析動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)，也就是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路。進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)計(jì)需要確定反饋系統(tǒng)的零極點(diǎn)以及增益，這需要首先知道功率部分的傳遞函數(shù)。功率部分的傳遞函數(shù)的具體推導(dǎo)不在本文的討論范圍之內(nèi)，但其公式表達(dá)涉及到輸出電容的有關(guān)參數(shù)。因此，有必要先設(shè)計(jì)輸出回路，即輸出整流二極管和輸出電容。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以作為反饋信號(hào)的+5V輸出端為例，其余輸出端的計(jì)算過(guò)程類似。首先考慮輸出二極管，計(jì)算其承受的最大反向電壓：（314），然后計(jì)算正向?qū)ǚ逯惦娏鳎?15）式中為最大輸出平均電流取1A，帶入計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得到的最大反向電壓和正向?qū)ǚ逯惦娏鬟x取二極管規(guī)格，其，，可見(jiàn)各參數(shù)都留有較大的裕量。選取輸出電容，一般由濾波電容和負(fù)載供電電容組成，同前面的討論一樣，濾波電容一般選取經(jīng)驗(yàn)值，給負(fù)載供電的電容值計(jì)算公式為（316）式中是輸出紋波要求，帶入數(shù)值計(jì)算，這個(gè)理論計(jì)算值很小，通常選取較大容量的電容，以最大限度地減少紋波，并且通常用幾個(gè)容量相同的電容并聯(lián)使用以減小串聯(lián)等效電阻。另外，對(duì)于輸出反饋電壓的接法也有不同，基本上可分為2種：1）從最