光伏微型逆變器輔助電源的變壓器設計

吳 林，楊國為，劉 斌

（南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063）

光伏發電是種潔凈的能源[1－2]，高頻變壓器在光伏微型逆變器中起著能量轉換和傳遞的作用[3]，因此在這個過程中的轉換效率是衡量高頻變壓器設計好壞的關鍵因素之一。然而高頻反激變壓器具有能量轉化效率高，可以實現多路輸出，是光伏微型逆變器輔助電源理想拓撲的選擇。

本文在介紹高頻反激變壓器設計原理的基礎上。首先，根據輸入輸出間的電流，電壓，功率，傳遞效率以及工作模式，推導出所選變壓器磁芯，和原副邊的繞線匝數和股數以及電感量。然后，由電流反饋回路計算出檢流電阻值，以及光耦反饋環節的分壓電阻和補償電阻值與電容值，采用了傳遞函數和伯德圖的分析方法。最后，利用MATLAB/simulink軟件進行了仿真；同時，搭建了由這款變壓器組成的電源模塊在光伏微型逆變器中實驗，對仿真結果進行驗證。實驗結果表明，所設計高頻反激變壓器滿足光伏微型逆變器的需求。

1 光伏微型逆變器結構

圖1為光伏微型逆變器的結構，在光伏微型逆變器內，因為輔助電源起到給系統提供三路不同電壓輸出的作用，所以這三路輸出的功率變化時要確保其輸出電壓不能有太大的變化，這樣才能有利于系統穩定的工作。此外，輔助電源的變壓器設計和繞制方法對系統的效率與穩定也有重要影響，因此，輔助電源的變壓器設計需要理論計算和軟件仿真以及實驗調試來確保其高效穩定的工作。

圖1 光伏微型逆變器結構Fig.1 Solarmicro inverter structure

2 輔助電源的變壓器設計

2.1 設計條件

輸入電壓范圍：(光伏板)35～60 Vdc。

設計輸出電壓：(+15 V，+12 V，HF.POWER)。

最大輸出功率為：Pout=40W。

變換效率為：Eff=0.8。

變壓器工作在不連續模式。

IC選擇UC3845，最大占空比Dmax=0.55。

開關頻率為：fs=40 kHz。

2.2 設計過程

1）變壓器磁芯材質的選擇

選用鐵氧體材質TDK PC40，該材質的基本參數如下表。

表1 鐵氧體材質TDK PC40相關參數Tab.1 TDK ferritem aterial PC40 related parameters

TDK PC40 相關參數， 其中：Bs＝390mT@100degree，Br=55mT@100degree，deltaB=390-55=335mT。

當工作頻率為40 kHz時候，取80%的飽和值，335*0.8=268mT。

2）變壓器磁芯尺寸的計算

根據 AP=AW*Ae=（Pt*10000）/（2ΔB*fs*J*Ku），其中，Aw是變壓器窗口面積，Ae是磁芯橫截面積，視在功率Pt=Pout/Eff+Pout，電流密度 J=400A/cm^2，繞組系數 Ku=0.4，則有：

Ap=[（40/0.8+40）*10000]/ （2*0.268*40*1000*400*0.4） =0.2624cm^4， 選擇 EI25 立式 （5+5） 其中 Ae＝41mm^2，Aw=77.12mm^2，Ap=0.3165cm^4。

3）計算輸入功率及輸入電流

Pin=Pout/Eff=40/0.8=50W，Iin=Pin/Vi=50/35=1.43A 。

4）計算原邊電感值

在最小輸入電壓（35 V）時，工作在不連續模式的臨界狀態 （這樣既可以保證電路在任何時候都工作在不連續模式，又能最大地利用占空比），此時D=0.55，ΔI=Iin*2/D=1.43*2/0.55=5.2A，電感經驗系數Ks=1.8。

L=Vi*D/（ΔI*fs*Ks）=35*0.55/（5.2*40*1000*1.8）=51.4 uH

5）計算原邊繞組匝數Np

在最大輸入電壓60 V時，Ton=0.55*1/40000Hz=13.75μs，電阻系數 Rs=0.19ohm，D=L*fs/Vin*Rs=51.4*1e-6*40*1e3/（60*0.19）=0.1804 ， 由 E=NBA/D=>Np=D*Vi/（B*Ae*fs*K），磁芯系數 K=0.9，Np=0.33*60/（0.268*41*1e-6*40*1e3*0.9）=50.0546Ts，取整 50Ts。

6）計算偏置繞組匝數Np2和Ns2

Vout=15.7+0.8=16.5V，Vin*D=（Np/Ns）*Vout* （1-D） =>Np1/Np2=Vin*D/Vout* （1-D）=35*0.55/（16.5*0.45）=2.6，Np2=50/2.6=19.23Ts，取 Np2（+15V）＝19Ts。 Np1/Ns2=Vin*D/[Vs2*（1-D）]=35*0.55/（13.5*0.45）=3.17

Ns2=50/3.17=15.7729Ts，取 Ns2（+12V）＝16Ts。

表2 變壓器繞組結構Table 2 Transformer widing structure

3 仿真及實驗驗證

為了驗證以上的理論設計，利用Matlab/simulink軟件構建了一個仿真模型，設計三路輸出，得到了仿真波形。同時，還搭建了實物測波形與仿真波形對比。其中圖2是15 V，12 V的兩路輸出和驅動信號Ugs；圖三中的1通道是副邊15 V的輸出；2通道是驅動信號Ugs；3通道是原邊電流。

圖2 兩路輸出和驅動信號仿真圖Fig.2 Three-way output and drive signal simulation diagram

4 結 論

圖3 電壓電流波形圖Fig.3 Voltage and currentwaveforms

圖4 實物圖Fig.4 The physical figure

本文圍繞變壓器工作原理，首先根據磁芯手冊的參數和AP法來計算磁芯的尺寸，從而選擇合適的磁芯，然后根據原副邊的功率變換關系來計算原副邊的匝數和股數，最后利用Matlab/Simulink[9-10]平臺對分析推導進行了仿真；同時，搭建實驗平臺對仿真結果進行驗證。實驗結果表明，通過三明治繞法和反饋回路合理的設計，可以較好地實現低損耗和穩定輸出的目標。

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