推挽全橋雙向DC—DC變換器主電路及輔助電路硬件設(shè)計(jì)

摘 要：本文在搭建光伏變流器整機(jī)電源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了用在推挽全橋雙向DC/DC變換器主電路的主電路參數(shù)和輔助電路，給工程人員在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電變流器提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；推挽全橋雙向DC/DC變換器；參數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2015） 02-0000-01

隨著世界各國(guó)對(duì)能源的需求急劇膨脹，而煤炭、石油和天然氣三大化石能源日漸枯竭，全球?qū)⒃僖淮蚊媾R能源危機(jī)[1]，光伏太陽(yáng)能已作為新能源領(lǐng)域內(nèi)的朝陽(yáng)能源被廣泛應(yīng)用到社會(huì)生活中。因此，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)就提出了更高要求，要解決光伏發(fā)電的問(wèn)題，發(fā)電效率和體積首當(dāng)其沖，雙向DC/ DC變換器在總體成本、體積、效率和重量上可以對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行極大程度上的縮小和減輕，成為了光伏發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)新的“寵兒”。

一、推挽全橋雙向DC-DC變換器概述

雙向推挽 DC/DC 變換器適用于中小功率場(chǎng)合，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變壓器的磁芯雙向磁化。相同的磁芯尺寸，推挽變換器比反激變換器能輸出更大的功率，但驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須有良好的對(duì)稱(chēng)性，否則容易引起高頻變壓器偏磁。

二、主電路設(shè)計(jì)

本文采用的雙向推挽全橋DC/DC變換器適用于中小功率場(chǎng)合，其功率等級(jí)和本文相匹配，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變壓器的磁芯雙向磁化。相同的磁芯尺寸，推挽變換器比反激變換器能輸出更大的功率，但驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須有良好的對(duì)稱(chēng)性，否則容易引起高頻變壓器偏磁。圖2.1所示為本文采用的變換器主電路圖。主電路參數(shù)如下：

整機(jī)功率：200W

推挽側(cè)電壓：（48±10%）V

全橋側(cè)電壓：（110V±10%）V

開(kāi)關(guān)頻率：50KHZ

（一）高頻變壓器設(shè)計(jì)

變壓器設(shè)計(jì)首先從磁芯的選擇開(kāi)始，磁芯體積必須滿足總輸出功率的要求。軟磁鐵氧體磁芯是磁性材料中重要的一大類(lèi)，是目前開(kāi)關(guān)電源，特別是高頻的開(kāi)關(guān)電源主要使用的一種磁芯材料。[2]

由于本文所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的頻率為50KHZ，所以高頻變壓器的頻率至少應(yīng)該達(dá)到60KHZ，可選PC40型材料，用它制成的ER型磁芯具有漏感小、頻率高、磁耦合性能好、中柱為圓型、便于繞線且繞線面積增大，可設(shè)計(jì)功率大而漏感小的變壓器。

（二）功率開(kāi)關(guān)管選型

目前，中、小功率變換器使用較多的全控型功率器件主要是電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT），相比較而言，MOSFET 比 IGBT 開(kāi)關(guān)頻率更高，但是電流容量小，耐壓低。MOS管的選型需要考慮以下三個(gè)參數(shù)：

（1）頻率。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電源的輸入輸出參數(shù)，確定工作頻率，需要對(duì)MOS管的頻率進(jìn)行篩選。

（2）最大耐壓值。因?yàn)殡娫磿?huì)有一個(gè)電壓尖峰的問(wèn)題，因此需要考慮到MOS管的最大耐壓值，在工程里面，一般會(huì)留有2-3倍所設(shè)計(jì)的電壓參數(shù)的裕量。

（3）功耗。功率管的功耗是影響電源效率的很重要因素，開(kāi)關(guān)損耗一般是比較難控制的，但是我們可以根據(jù)電路設(shè)計(jì)的參數(shù)確定MOS管的功耗，然后再結(jié)合以上兩個(gè)參數(shù)對(duì)MOS管進(jìn)行篩選。

在本文中，根據(jù)主電路所設(shè)計(jì)的參數(shù)，把導(dǎo)通損耗控制在5W，可以選用美國(guó)國(guó)際整流公司的IFR640N。

三、輔助電路設(shè)計(jì)

（一）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使 MOSFET 柵源極間電壓迅速上升到所需值，對(duì)極間電容進(jìn)行充放電，MOS管才能快速開(kāi)通，很顯然從DSP芯片輸出的PWM信號(hào)是不能滿足上述要求的。MOS管的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)首要考慮的是安全性。一般解決這個(gè)問(wèn)題是用耦合芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，而耦合芯片又可以分為光耦合驅(qū)動(dòng)、磁耦合驅(qū)動(dòng)和容耦驅(qū)動(dòng)。如何選擇耦合芯片，需要根據(jù)電路的不同參數(shù)設(shè)計(jì)，特別是所設(shè)計(jì)的頻率。

本文中，根據(jù)雙向變換的電壓電流參數(shù)以及共地問(wèn)題的特性，選用IR2110s和IR4427s作為半橋驅(qū)動(dòng)電路。

（二）磁耦合電路設(shè)計(jì)

由于本文采用的控制方法是采用DSP控制，因此為了保護(hù)DSP，以免過(guò)電流把DSP燒壞，必須要在DSP的六路PWM輸出和驅(qū)動(dòng)電路之間加入一個(gè)信號(hào)隔離，這樣即使驅(qū)動(dòng)電路因某些因素發(fā)生了故障，也不會(huì)影響到DSP的安全，使得電路的設(shè)計(jì)可行性和可操作性大大提高，但是要注意耦合的頻率是否能達(dá)到MOS管驅(qū)動(dòng)頻率的要求。綜合考慮，選用磁耦合來(lái)作隔離器。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉菊.光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究[D].上海大學(xué)，2007：1-5.

[2]普利斯曼.比得斯.莫瑞.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：40-50.

[作者簡(jiǎn)介]林貞汛，男，廣東人，學(xué)士，研究方向：新能源電力電子硬件拓?fù)洹?/p>