風電變頻器開關電源設計

■ 方院生 呂躍剛 王琦

"(1.廣東電網公司電力科學研究院；2.華北電力大學)

一 引言

隨著雙饋式風機和永磁直驅式風力發電機的應用越來越廣泛，作為其中核心部件的大功率變頻器越來越受到重視。因此，變頻器對其低壓電源的設計性能要求亦越來越高。

與線性穩壓變壓器電源相比，開關電源具有以下優點：(1) 節能環保。綠色開關電源的效率一般可達85%，質量好的可達到95%，而鐵芯變壓器的效率只有40%～50%。(2) 體積小，重量輕。(3) 開關電源具有各種保護功能，不易損壞。鐵芯式線性變壓器由于本身原因或使用不當，發生短路或斷路的事故較多。(4) 改變輸出電壓、電流較容易，且穩定、可靠。

風力發電變流器對低壓電源的要求較高，如自身功耗小、輸出功率大，體積小、質量輕，且須有我自保護功能；同時，風力發電變頻器還要有相互隔離的多通道電源。這些是鐵芯式變壓器所不能滿足的，卻是開關電源更適合變頻器電源的原因所在。

二 變頻器開關電源的原理

1開關電源的基本原理

開關電源(Switching Power Supply)是以功率半導體器件為開關元件，利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。

開關電源的工作過程主要是讓功率晶體管工作在導通和關斷狀態。在這兩種狀態中，加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小(導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流小)。功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件所產生的損耗，故能在低損耗下實現多直流電源供給。

PWM開關電源的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調節。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數就可增加輸出的電壓組數。最后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

由于變頻器自身特點，本文設計的開關電源輸入電路部分可直接從直流母線處獲取。因此，變頻器的開關電源架構主要由6大部分組成：輸入電路、功率因數校正、功率轉換、輸出電路、控制電路和頻率振蕩發生器，如圖1所示。

高頻電子開關是電能轉換的主要手段和方法。在一個電子開關周期(T)內，電子開關的接通時間ton與一個電子周期所占時間之比為接通占空比(D)。很明顯，接通占空比(D)越大，負載上的電壓越高。

2反激式原理

開關電源的結構形式有很多種，按PWM方式來分有反激式變換器和正激式變換器。所謂反激式是指變壓器的初級性與次級性相反，同理，正激式是指變壓器的初級性與次級極性相同。根據風力發電變頻器和本文選擇的器件，這里僅介紹單端反激式電源，如圖2所示。

圖2 反激式變換電路

當單端反激式變換器在原邊開關管導通時儲存能量，開關管截止時才向負載釋放能量，故高頻變壓器既起到變壓隔離作用，又是電感儲能元件。因此，單端反激式變換器又稱為“電感儲能式變換器”。

三 變頻器開關電源的設計

1器件的選型

(1) 開關電源控制器IC

UC3844B芯片是固定頻率的高性能電流方式控制器，是專用于產生PWM波形芯片。該集成電路的特點是，具有振蕩器、溫度補償的參考、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱輸出，是驅動功率MOSFET的理想器件。圖3為3844B內部組成框圖。1腳外接阻容元件，用來補償誤差放大器的頻率特性；2腳是反饋電壓輸入端，將取樣電壓加到誤差放大器的反向輸入端；3腳是電流檢測輸入端；4腳外接鋸齒波振蕩器外部定時電阻和定時電容，決定震蕩頻率；8腳基準電壓輸出Vref。

圖3 UC3844B內部組成框圖

(2) TL431工作原理

TL431集成電路是三端可編程并聯穩壓二極管。其電壓基準如同低溫度系數齊納管一樣運行，通過2個外部電阻可從Vref編程至36V，其等效電路圖如圖4所示。它相當于一只可調節的齊納穩壓二極管，輸出電壓由外部的電阻R1、R2決定。TL431的工作原理為：當輸出電壓Vo上升時，取樣電壓Vref也隨之上升，使取樣電壓大于基準電壓Vref，致使晶體管VT導通，其集電極電位下降，即輸出電壓Vo下降。

(3) RCD保護電路

開關電源輸入端電源多是從直流母線電壓獲取，反激變換功率開關管關斷時將引起電壓尖峰，必須用箝位電路加以抑制。RCD保護電路用以緩沖MOS管在高頻工作環境下關斷時因為正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。

如圖5所示，由R、C、D構成RCD吸收回路。根據楞次定律，MOS管關斷時，會在變壓器T1的原邊產生一個數倍于輸入電壓的瞬間電壓(反電動勢約等于輸入電壓，di/dt、du/dt越大，反電動勢越大)。所以需要注意的是MOS管的選取耐壓要在輸入電壓兩倍以上。

2電路設計

變頻器開關電源的核心部件主要有控制IC和功率開關管。如圖6所示，變頻器電源供給可直接從直流母線上獲取電源，然后根據需要，可設計不同電壓水平的開關電源。此處以5V開關電源設計為例，說明變頻器開關電源設計的一些關鍵之處。

UC3844系列是固定頻率的高性能電流方式控制器，它利用固定頻率調節占空比來控制輸出電壓。交流電壓經由C1、C2、L1構成的EMI濾波器，濾除開關噪聲和由輸入線路引起的諧波。C1、C2、C3組成抗串模干擾電路，用以抑制正態噪聲。交流電經濾波電路處理后進入整流器后得到直流電壓。此電壓經高頻變壓器初級開關功率管的漏極提供驅動電壓。N3是反饋電路線圈，經二極管D6、R5給IC1工作運行電壓。N3的另一個作用是監視、監測電路在運行中是否出現不良，并將有關信息送到IC1中進行處理。R4、C5是決定該電路工作頻率的重要元件，決定振蕩頻率。

圖6 反激式脈寬調制原理圖

UC3844進行電路保護原理如圖6所示。如果由于某種原因，輸出端短路而產生過流時，開關MOS管的漏極電流將大幅度上升，R6端電壓也會上升。當該引腳電壓超過正常值而達到1V以上時，UC3844的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉輸出。這是UC3844的6腳無輸出，MOS1管截止，即保護了電路。如果供電電壓過高，IC1無法調節占空比，變壓器的初級繞組電壓升高，使IC1的7腳電壓升高，同樣關閉輸出。如果人為意外將輸出電路短路，這時RF自恢復開關會因為電流增大而造成內部發熱量的增加，最終使其電阻值變大，起到關斷電路的作用。而在故障排除后，RF又能夠在極短時間內快速恢復阻抗。

由于實驗室示波器顯示數據不能下載的緣故，故只能將設計的效果展示，如圖7所示。盡管在變頻器直流母線電源U1上電瞬間不是很穩定，為急劇上升直至穩定的過程，但經過控制芯片自身調節至合適占空比的情況下，能保證U2恒定輸出，具有較強的抗干擾能力，很能適應現場惡劣氣候和強電磁干擾的環境。

針對風力發電變頻器要求多通道相互隔離的電源設計，僅需要添加少量的電路元件就可完成，成本低；且需占用太大空間，對變頻器空間利用率提高有很多幫助。應用在風力發電變頻器中的開關電源經實踐應用表明，該設計安全高效可靠。

四 結論

開關電源設計具有其本身的優缺點，關鍵性的技術問題是干擾問題。在功率管不斷開啟關斷狀態下工作的高頻率開關電源，首先是產生穩定的電源供應；其次是不能產生超標的電磁干擾而破壞電磁環境。這時選取電解電容值時不能過低，否則造成紋波現象，無法給設備正常供電。開關電源因其優越的性能，體積小、重量輕、功率大，在風電變頻器應有中有廣泛的前景。

[1] 趙同賀, 劉軍. 開關電源設計技術與應用實例[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

[2] 沙占友, 馬洪濤, 王書海, 等. 特種集成電源設計與應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[3] 劉萍. 一種適合教學的開關電源設計及調試[J]. 現代電子技術, 2009, 303(16): 208－210.