一种光伏逆变器用多路输出开关电源设计
一种光伏逆变器用多路输出开关电源设计
广州从化市技工学校 李志林
摘 要：光伏发电与传统的发电形式相比具有很多优点，能够保证对环境的无污染和持续利用，因此，近年来得到了很大的发展。其中，光伏发电系统的重要组成部分——逆变器对整个发电系统的效率高低有着重要影响。因此，加强对逆变器开关的设计和研究对提高光伏发电系统的整体效率具有重要的意义。
关键字：光伏逆变器；多路输出；开关；电源
一、前言
能源是整个世界发展和经济增长的最基本驱动力，现代社会能源消耗高且效率较低，不仅浪费了资源，还对环境产生了严重的污染。太阳能是一种无污染又可再生的洁净能源，资源丰富，对环境无任何污染，是世界各个国家竞相开发的一种新型能源。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。由于其无污染、无噪声、易于维护等优点，在城市建筑、美化工程等领域得到了广泛的应用，发展前景广阔。
光伏发电系统效率的提高是我们研究的重要部分，光伏新能源发电技术主要包括太阳电池板、控制器以及逆变器三个主要部分，其中逆变器主要是将电能从直流电转换为交流电，是发电系统的主要器件，其开关设计的优劣对于整个系统效率的高低都有着重要的影响。一般情况下，提高光伏逆变器的开关频率能够有效增加输出信号的质量，但是也明显提高了开关损耗，造成逆变器效率的降低，而辅助的软开关虽然能够一定程度上提高效率，但是造成了成本的上升。所以加强对光伏逆变器开关的研究十分必要。这里，我们就对一种光伏逆变器使用的多路输出开关电源的设计进行了简要探讨。
二、总体设计规划
（一）开关电源的设计要求
光伏逆变器的主要结构如下图所示。其中，输入为低压光伏阵列，输出为高压交流电网。高、低压侧使用高频变压器进行电气隔离，而且，光伏逆变器使用的辅助电源输出路数较多。
图1 光伏逆变器主要结构
为了使得光伏逆变器能够输出稳定且符合质量要求的电流，我们首先要对逆变器的供电可靠性及其供电质量进行维护设计。这里我们控制芯片的电源开关使用具有较高频率的UC3842。同时，光伏阵列的输出电压要求开关电源能够具有较大范围的适应性，因此使用过程中要对噪声和兼容特性进行充分的考虑。这里，我们对外围电路做了一些改进，从而满足减小电压纹波、提高开关电源适用性以及保证电源稳定的要求。
（二）UC3842介绍
UC3842包括直插式和表贴式两种形式，主要由5V的基准电压源、误差放大器、高频振荡器、PWM锁存器、过流检测比较器以及欠压锁定电路等几个部分组成。
UC3842电路结构中，误差放大器与阻容元件相连接，从而和反向的输入端组合成PI补偿网络，可以对误差放大器的频率进行有效的补偿。反馈电压输入端可以把分压以后的反馈电压添加到误差放大器的反相输入端，然后和同相输入端的基准电压进行相互比较，从而产生误差电压。UC3842开启、关闭的电压设计为16V和10V，在器件内部存在一个34V稳压管，可以通过电压电路作用而产生一个5V基准电压，这个电压可以作为器件内部电源。如果这个电压经过衰减以后得到2.5V的电压，则还可以作为比较器的电压。
一般情况下，UC3842把经过电阻分压后得到的信号输入到误差放大器，然后通过其反向输入端和内部的2.5V基准电压做比较，并把获得误差电压的部分和反向输入端连接成为PI补偿网络，另一部分则和电流采样电压做比较，从而获得电压电流的双环控制PWM序列占空比，这样就可以达到稳定电路的目的。
三、开关电源设计的具体介绍
这里，我们主要设计一种单端反激式的多路输出开关电源。这种开关电源的主要工作原理是：开关管导通以后，通过高频变压器把电能转换为储存的磁能，并且在开关管截止以后，再通过高频变压器把储存的磁能转换为电能，在这个过程中副边通过输出电能达到向负载供电的目的。
这种设计包括连续和断续两种工作模式。其硬件主要包括反馈电路、输入滤波电路、过流保护电路、脉宽调制电路、输出侧整流滤波电路、外围振荡电路以及误差补偿电路等部分。在输入的直流电压产生变化后，UC3842可以通过电压的反馈回路对脉宽占空比进行调节，从而保证变压器的副边直流电压能够稳定运行。下面我们就对开关电源设计中的主要部分进行简要的介绍：
（一）启动电路设计
光伏逆变器系统在启动时，直流电压会逐渐增大，从而能够不断对电容进行充电，当电容电压达到器件的启动电压后，UC3842就可以开始工作。脉宽调制信号能够对MOSFET的开关执行动作进行控制，从而使得变压器能够进行不间断的充放电，并且可以把电磁能量传送到副边，然后通过整流滤波后代替启动时的直流电压为UC3842提供电能。
（二）滤波输入电路设计
直流输入能够从逆变器直流母排中获取电能，并通过相关器件对高频分量进行滤除，从而保证获得较为稳定安全的直流输入电压，这样可以保证逆变器的良好电磁兼容性能。其中，熔断器可以产生过流保护作用，发光LED则可以对直流输入进行直观的显示。
（三）电压反馈电路设计
我们将一个高频变压器的副边绕组设计为电压反馈回路，这样就可以有效保证输出电压的稳定。UC3842还可以和外接的RC进行并联形成一个PI补偿电路，从而对闭环及其频率的改善产生积极的效果。
（四）缓冲电路设计
因为存在杂散参数，所以开通和关断过程中容易产生尖峰等情况，不仅对开关的安全产生影响，还会造成系统的不稳定运行。因此，我们针对上述情况设计了专门的并联RC吸收电路，能够对系统起到很好的保护作用。
（五）振荡电路设计
振荡电路可以起到旁路滤波的作用，振荡锯齿波形接入还能够决定电源的开关频率。开关频率不宜过大，否则会显著增加开关管的损耗，并产生严重的发热情况，而开关频率过小又不利于高频变压器体积小的特性的发挥，因此，对开关的频率要根据实际情况进行合理的设定。
（六）驱动电路设计
UC3842能够对MOSFET进行直接驱动，而且驱动电路非常简单，同时该驱动电路还能够对驱动电流的峰值进行有效的限制。
（七）电流检测和保护电路设计
电流检测电路主要用于对开关管流经电流进行检测，主要的工作流程是：首先将电流信号通过电流取样电阻的取样转换为相应的电压信号，在滤除尖峰以后形成电流反馈环节，同时输出调节脉冲序列。与此同时，一旦检测到电压超过1V，系统的过流保护功能就会自动开启，不再进行脉冲的输出，从而对系统产生保护作用。
（八）输出电路设计
开关电源一共设计了九路直流输出，每路的输出都是通过二极管整流加电容滤波组成的，输出之间保持相互独立，相邻的滤波电容主要用来对高频纹波进行消除。由于为传感器供电的±15V输出对电能质量的要求很高，所以增加了额外的稳压芯片，从而保证输出电压的安全稳定。系统中还设计了共模滤波电容，能够对高频纹波分量进行有效地滤除，从而很好的改善电能的质量，不过该设计也存在一定的缺点，就是在对光伏逆变器驱动进行供电时，会增加开关动作对电源的不利影响，所以在设置共模滤波电容时要根据实际需求进行具体的设计。
四、结论
本文中光伏逆变器多路输出开关电源的设计使得光伏发电系统的效率得到了显著的提高，并且具有体积小、运行稳定的特点，能够满足目前光伏逆变器发电系统的运行需求。
参考文献
[1]俞阿龙.浅谈开关电源的谐波及抑制[J].电工技术杂志,2011(7).
[2]刘胜利.高频开关电源实用新技术[M].北京：机械工业出版社,2006年.
[3]倪海东,玉萍.开关电源专用电路设计与应用[M].北京：中国电力出版社,2008年.
[4]夏泽中,王彬,李军.基于UC3842的单端反激式开关电源的设计与分析[J].电源技术应用,2008年.
[5]宋鸿斋,谢吉华,陈志强,等.变频器用多功能开关电源设计[J].电力自动化设备,2008年.
一种光伏逆变器用多路输出开关电源设计.doc
