【正文】 （實(shí)際上是磁滯回線對(duì)應(yīng)的剩余磁通 rB ）升到 1? ；當(dāng)開關(guān)管截止后，磁通又從 1? 返回 0? 的原來位置，實(shí)現(xiàn)磁通復(fù)位。反激式開關(guān)電源同樣也要遵循這個(gè)原則。因此，電源的設(shè)計(jì)就是要在技術(shù)指標(biāo)和成本高低上選擇一個(gè)折中，或者說是最優(yōu)化設(shè)計(jì)。這也是所有電源開發(fā)所要遵循的設(shè)計(jì)原則。確定單端反激式開關(guān)電源所處的工作模式是開始設(shè)計(jì)工作之前的必要環(huán)節(jié)。臨界連續(xù)模式和斷續(xù)模式的設(shè)計(jì)流程基本相同，而與連續(xù)工作模式有很大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在變壓器原邊繞組的電流峰值不同，一般來說斷續(xù)模式下原邊繞組的電流峰值要大，而原邊繞組的電感量要小。一個(gè)好的反饋回路可以有效地自動(dòng)調(diào)整需要的占空比，無論輸入電壓、負(fù)載電流或者器件取值的變化等引起的干擾大小，都能隨時(shí)保證輸出電壓的精確度和穩(wěn)定度。而不合格的變壓器不但不能完成能量有效傳輸?shù)墓δ埽档碗娫吹男?，還會(huì)對(duì)功率器件造成過壓沖擊、電磁干擾等危害，影響電源的穩(wěn)定工作，即使設(shè)計(jì)了一個(gè)很有效的反饋控制回路，也無法保證電源的正常工作。作者認(rèn)為，其中變壓器和反饋控制回路的設(shè)計(jì)是反激式開 關(guān)電源的關(guān)鍵，是最重要的兩個(gè)部分。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 14 大多數(shù)高集成 IC 器件都具有模擬和數(shù)字控制電路，能完成隔離變壓、調(diào)整穩(wěn)壓、自動(dòng)保護(hù)等開關(guān)電源需要的全部功能，并且建立了 IC 內(nèi)部回路的穩(wěn)定性，因此能有效地縮減設(shè)計(jì)變數(shù)項(xiàng)目 [6]。這就意味著設(shè)計(jì)涉及到需要綜合協(xié)調(diào)的許多可變因素。該電流波形與半橋式等雙端電路的電流波形相似，而與單端反激式變換器在非連續(xù)和臨界狀態(tài)時(shí)代電流波形不同。當(dāng)Q1 的截止時(shí)間小于副邊電流衰減到零所需時(shí)間的情況下，那么在 Q1 截止結(jié)束時(shí)，副邊電流將大于零。從式（ 21）看出，單端反激式變換器的高頻變壓器在 Q1 導(dǎo)通期間的儲(chǔ)存能量，與副邊的負(fù)載大小無關(guān)，即原邊繞組最大電流值不受負(fù)載影響，它只決定于原邊繞組電感量 PL 、施加的輸入電壓值 E和導(dǎo)通脈沖寬 度 ONt 。在開路試驗(yàn)中，不能讓負(fù)載斷開引起輸出電壓劇增而損壞功率管。 當(dāng) Q1 截止時(shí)，副邊整流二極管導(dǎo)通，若忽略其正向壓降，則副邊繞組電壓值約等于輸出電壓。因此空載時(shí)必須接上“假負(fù)載”，否則會(huì)造成輸出電壓過高而損壞晶體管。由式（ 212）可知，輸出電壓與負(fù)載電阻有關(guān)：負(fù)載電阻越大、輸出電壓越高，而負(fù)載電阻越小則輸出電壓越低。在新的周期開始 Q1 又導(dǎo)通時(shí)，原邊電流和磁通都是從零開始線性增大，其速率為 ( / )PE L t 。臨界狀態(tài)時(shí)的原邊電流、副邊電流 、原邊繞組感應(yīng)電壓、開關(guān) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 11 管電壓波形、高頻變壓器磁通變化波形等圖 。因原邊與副邊電流、繞組 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 匝數(shù)關(guān)系式為： 22P P S SI N I N? ，因此可得到關(guān)系式： 22PSPSNIIN?? （ 27） 單端反激式變換器的三種工作狀態(tài) 由于原邊、副邊電感量為常數(shù)，使原邊電流和副邊電流按現(xiàn)行規(guī)律升高或降低。當(dāng) Q1 導(dǎo)通，電路工作進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，原邊電流又線性增大，變壓器又開始儲(chǔ)存能量。若忽略變壓器的各種損耗，根據(jù)能量守恒定律，則高頻變壓器的初級(jí)與次級(jí)能量應(yīng)滿足關(guān)系式 221122P P S SL I L I? ? ? （ 24） 式中， 2PI 是 開關(guān)管導(dǎo)通快結(jié)束時(shí)原邊電流的最大值， 2SI 為 Q1 剛截止時(shí)副邊電流的最大值。當(dāng)導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，原邊電流幅值為（省略 Q1 的飽和壓降）： 21P ON PPEI t IL? ? ? （ 21） 副邊繞組電壓為： SLsPLVEL? （ 22） 當(dāng)開關(guān)管 Q1 截止時(shí)，其集電極電位變?yōu)楦唠娖?，原邊繞組電流變?yōu)榱悖边吚@組兩端感應(yīng)電壓極性反向，使 D1 導(dǎo)通， Si 向 OC 充電，變壓器儲(chǔ)能開始釋放，副邊電流則線性下降。 LPI02PI1PI 1PI 2PI0LSI tt2SI 1SI 圖 連續(xù)模式下變壓器原邊與副邊電流示意圖 圖 是反激式變換器在連續(xù)模式下的變壓器原邊和副邊的電流波形示意圖。因單端反激式變換器只是在原邊開關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ) 存能量，當(dāng)它截止時(shí)才向負(fù)載釋放能量，所以高頻變換器在開關(guān)工作過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。 對(duì)于變壓器體積大和占空比小這兩個(gè)缺點(diǎn)，在小功率情況下問題不是很嚴(yán)重，可以忽略其影響。 單端反激式變換器有如下缺點(diǎn)： （ 1） 開關(guān)管承受的電壓高，相同電源電壓的情況下，單端變換器開關(guān)管上承受的電壓比半橋式和全橋式電路都高得多； （ 2） 由于變壓器單向工作，可利用的鐵芯的磁通變化量為 srB B B? ? ? ,比雙端工作的變壓器要小得多，所以鐵芯利用率低，變壓器體積大； （ 3） 功率傳輸比的占空比較小，所以輸出功率較雙端變換器小。按變壓器的副邊開關(guān)整流器二極管的不同接線方式，單端變換器有兩種類型：一是單端反激式變換器（原邊主功率開關(guān)管與副邊整流管的開關(guān)狀態(tài)相反，當(dāng)前者導(dǎo)通時(shí)后者截止，反之當(dāng)前者截止時(shí)后者導(dǎo)通），二是單端正激式變換器（兩 者同時(shí)導(dǎo)通或截止）。 因此，綜合考慮技術(shù)要求、成本、工藝和 控制方式等因素，宜采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路實(shí)現(xiàn) DC/DC 變換。 當(dāng)然，反激式拓?fù)潆娐返淖儔浩鬟€作為儲(chǔ)能電感工作，其體積較大，一般只用于功率較小的 DC/DC 變換器。實(shí)際應(yīng)用中占空度會(huì)更小，意味著較少的連續(xù)工作狀態(tài)和較大的原邊電流，不但增加了開關(guān)損耗，降低了電流效率，而且限制了輸出調(diào)整率。而一般來說，正激式變換電路用到的功率器件要比反激式多，變壓器 也 多一個(gè)消磁線圈，其磁滯損耗必定大于反激式變換電路，尤其是電路工作在 100KHz 以上的高頻，這些損耗就會(huì)更加嚴(yán)重。 本課題涉及的輔助電源即 DC/DC 功率變換電路，具有多路輸出，并 帶有 反饋控制， 需要輸入部分和輸出部分有良好的隔離， 所以適合采用反激式或正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在很多情況下，希望輸出電路和輸入電路 要電氣絕緣，或者希望多路輸出，尤其在小功率情況下，一般都 采用單端反激式或正激式變換電路。 電路拓?fù)漕愋?選擇 課題設(shè)計(jì)的電源的技術(shù)要求指標(biāo)是 250V700V直流輸入，多路直流輸出，因此屬于 DC/DC直流變換器。 PWM 脈寬調(diào)制方式，也就是占空比控制方式，通常是在固定開關(guān)頻率的條件下，直接改變主動(dòng)率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間寬度。 電 路濾 波 器電 網(wǎng)交 流 輸 入一 次 整 流濾 波直 流高 壓直 流 變 換 器二 次 整 流濾 波直 流 輸 入比 較 取 樣基 準(zhǔn)電 壓誤 差 放 大占 空 比 控 制開 關(guān) 脈 沖TONt O F Ft 圖 脈寬調(diào)制 DC/DC 高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本電路 圖 所示為在 交流電網(wǎng)輸入條件下，脈寬調(diào)制 DC/DC 高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本電路。由于開關(guān)頻率明顯升高，使副邊輸出濾波電容量減??； 由于鐵氧體高頻變壓器的體積和重量明顯減少，去掉了原有的笨重和龐大的老式工頻變壓器，這就大量減少了漆包線和硅鋼片，使開關(guān)電源的體積和重量大為減少，成本 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 5 降低； 由于主功 率晶體管工作在 開關(guān)狀態(tài)，其損耗很小，使電源變換器和整機(jī)的效率大為提高。 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源中絕大多數(shù)采用 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。脈寬調(diào)制是指工作頻率不變，通過改變晶體管導(dǎo)通時(shí)間或截止時(shí)間來改變占空比，應(yīng)用最為廣泛。 為保持變換器的輸出電壓穩(wěn)定，通常采用占空比控制技術(shù)。此外，還應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能及過流、過壓等保護(hù)功能。因此需要加適當(dāng)?shù)男ＵW(wǎng)絡(luò)或采用多反饋技術(shù)?？刂齐娐繁仨毧紤]到如下一些基本要求及功能：變換器是一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所以與一般調(diào)節(jié)系統(tǒng)一樣，要求控制電路應(yīng)具有足夠的回路增益，能在允許的輸入電網(wǎng)電壓、負(fù)載及溫度變化范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定度達(dá)到規(guī)定的精度要求，即靜態(tài)精度指標(biāo)。 高頻開關(guān)電源的調(diào)制方式 變換器的控制 電路變換器的重要組成部分，直接影響到變換器的技術(shù)性能。按驅(qū)動(dòng)激勵(lì)方式的不同，有他激式和自激式兩種； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 4 第 二 章 光伏并網(wǎng)逆變器輔助電源 工作原理 和設(shè)計(jì)方法 電路拓?fù)?綜述 高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的分類 [6] 第四章給出輔助電源的實(shí)驗(yàn)方案和測(cè)試結(jié)果，對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行分析，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)測(cè)試報(bào)告。第二種方案將采用新的控制策略，實(shí)現(xiàn)相同的功能。 本課題就 是在上述背景下展開的，本文第二章將分析電源的工作原理，重點(diǎn)研究反激式 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 3 開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。 公司目前正在研發(fā) 5KW 功率的光伏并網(wǎng)逆變器，本文研究的正是該逆變器中的輔助電源的設(shè)計(jì)方案，其技術(shù)指標(biāo)為直流輸入 250V～ 700V，較公司以前的 3KW， 1KW 等較小功率的產(chǎn)品具有更高更寬的輸入范圍，同時(shí)具有更多路的輸出，其中增加了一路給風(fēng)扇供電的輸出端，這就增加了輔助電源的輸出功率。因此，對(duì)輔助電源的技術(shù)指標(biāo)提出了更高的 要求。它實(shí)際上是一個(gè)具有 DC/DC 變換功能的開關(guān)電源，通過某種電路拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)輸入端到輸出端的直流轉(zhuǎn)換，其中涉及到脈寬調(diào)節(jié)、整流濾波、高頻變壓器和電壓電流反饋控制等多種電力電子技術(shù)，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。并網(wǎng)逆變器是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心 ，輔助電源則是并網(wǎng)逆變器中的重要組成部分。 無論是并網(wǎng)逆變器中的哪一個(gè)模塊，都離不開電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)是光伏技術(shù)應(yīng)用與推廣的重要技術(shù)支撐。它是先通過 DC/AC 變換，將太陽電池直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，然后通過工頻變壓器和電網(wǎng)相連，完成電壓匹配以及和電網(wǎng)的隔離，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上還可以分為高頻和工頻兩種。電流型的特征是直流測(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性。并網(wǎng)逆變器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有源逆變系統(tǒng)。并網(wǎng)發(fā)電是光伏利用的發(fā)展趨勢(shì)，是太陽能發(fā)電規(guī)模化 發(fā)展的必然方向 [3]。 90 年代以來，發(fā)達(dá)國家重 新掀起了發(fā)展光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的高潮，特別是發(fā)展屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。 光伏 技術(shù)的發(fā)展 太陽能的光伏利用是太陽能利用的主要形式，主要分為五類：獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電、光電光熱結(jié)合系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)和專用系統(tǒng)。太陽能以其清潔、無污染，并且取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)越來越得到人們的關(guān)注。一是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必須要首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡 諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率只有 33%～ 35%[1]，一半以上的能量白白地?fù)p失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。歷史上利用能源的方式有過多次革命性的變革，從原始的蒸汽機(jī)到汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，每一次能源利用方式的變革都極大地推進(jìn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展。 Gradually loading test 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 iii 目 錄 摘 要 ....................................................................... i Abstract ..................................................................... ii 目 錄 ...................................................................... iii 第一章 緒論 ............................................................... 1 引言 ............................................................... 1 光伏技術(shù)的發(fā)展 ..................................................... 1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)? ................................................. 1 本課題研究的目的、背景和工作任務(wù) ................................... 2 第二章 光伏并網(wǎng)逆變器輔助電源工作原理和設(shè)計(jì)方法 ........................... 4 電路拓?fù)渚C述 ....................................................... 4 高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的分類 [6] ...................................... 4 高頻開關(guān)電源的調(diào)制方式 ........................................ 4 電路拓?fù)漕愋瓦x擇 .................