基于NCP1252光伏逆变器辅助电源的应用

基于NCP1252光伏逆变器辅助电源的应用
刘稳根
【摘要】提出了一种宽输入电压范围的双管反激式开关电源作为光伏逆变器辅助电源方案。

该开关电源具有多路直流输出,通过调节控制芯片输出脉冲的频率以适应直流输入在较大范围内变化,为光伏并网逆变器的开关器件驱动及控制电路提供稳定的直流电压。

介绍了具有功能集成度高、价格低的NCP1252 PWM控制芯片的特性。

分析了双管反激拓扑原理及优点,设计了变压器以及各关键电路。

试验表明,辅助电源适应光伏逆变器输入直流电压的大范围波动,输出直流电压纹波在可以接受的范围内,可为光伏逆变器长期运行可靠供电。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2014(000)012
【总页数】4页(P45-48)
【关键词】双管反激;光伏逆变器;开关电源;辅助电源
【作者】刘稳根
【作者单位】江苏艾索新能源股份有限公司,江苏苏州215011;
【正文语种】中文
【中图分类】TM464.9
0 引言
随着人们对日益严重的环境污染问题的重视，清洁能源的开发受到大力支持，从而
使光伏并网逆变器得到了广泛的应用［1］。

光伏并网逆变器中，电压电流检测采样模块、控制系统模块和驱动模块需要相互隔离的直流供电。

光伏逆变器辅助电源就是将光伏阵列输出的直流母线电压转换成逆变器中各功能模块所需要的多种规格的直流电压。

由于光伏逆变器在不同光照条件下正常工作时需要实时控制直流母线电压，因此就要求逆变器辅助电源具有更宽的直流输入电压范围并保证稳定的电压输出。

鉴于光伏并网逆变器这种宽输入特性，本文提出一种基于NCP1252 PWM 控制芯片［2］控制的双管反激式开关电源作为光伏逆变器辅助电源的方案，并通过样机的设计与调试，验证了方案的可行性。

1 辅助电源设计
由于逆变器母线电压范围为210～1 000 V，因此要求辅助电源的输入要满足这个电压范围。

逆变器各个功能模块需要的电压各不相同，从而辅助电源的输出为多路输出，即输出电压与功率分别为+15 V/4 W，+12 V/20 W，－12 V/10 W，+7 V/6 W，同时还要求输出的电压波动小于1.5%。

由于双管反激式拓扑具有很宽的输入电压范围，低载具有很高的转换效率，因此本方案采用双管反激式拓扑。

1.1 双管反激式拓扑及工作原理
双管反激式拓扑［3］结构如图1所示。

其中，VT1、VT2为主开关管;VD1、VD2为一次侧续流二极管;VD3为二次侧整流二极管。

正常工作时，VT1和VT2同时开通和关断。

当VT1和VT2开通时，VD1、VD2和VD3截止，直流输入电压U i
加在变压器一次侧，变压器一次侧电流线性上升至最大值。

当VT1和VT2关断时，变压器一次侧与二次侧电压极性反向。

在VT1和VT2关断瞬间，VD1、VD2和VD3均导通，VD1和VD2导通将变压器一次侧电压嵌位在输入电压，此时将有
一部分能量通过VD1和VD2回馈给输入电压源，VD3导通将变压器一次侧励磁
电感储存的能量向输出负载转移，并将一次侧励磁电感的电压嵌位在输出电压反射到一次侧的电压。

一段时间后VD1和VD2截止，变压器一次侧电感储存的能量
全部向输出负载转移(假设电路工作于DCM模式)，在下一个开关周期到来之前变压器二次侧电流下降到0，VD3截止。

双管反激式拓扑具有可靠性高和效率高等
特点。

图1 双管反激主电路拓扑图
1.2 变压器设计
高频变压器［4］设计是光伏辅助电源设计的关键之一。

本次设计的辅助电源要求开关频率60 kHz，最大占空比 0.45，效率 0.85，输出功率40 W，输入最低电压210 V，最高电压1 000 V，且多路输出。

(1)一次侧电感电流峰值计算。

一次侧电感平均电流:
式中:P O——输出功率;
η——输出效率;
U dcmin——最低输入电压。

由式(1)可得I ave=0.226 A
一次侧电感峰值电流:
式中:D max——最大占空比。

由式(2)可得I p=1.003 A
(2)一次侧电感值计算:
式中:f0——开关频率。

由式(3)计算得L p=1.57 mH
(3)磁芯的乘积面积计算和磁芯选择。

由于铁氧体材料有很好的储能和抑制信号传
输过程中的尖峰和振铃作用，因此采用这种材料作为变压器磁芯是最好的选择之一。

本设计中要求最大磁通密度0.21 T，一次侧电流密度3 A/mm2，窗口填充系数0.3，因此所需磁芯面积最小为
式中:B ac——最大磁通密度;
J cp——一次侧电流密度;
K w——窗口填充系数。

由式(4)计算可得所需磁芯面积最小为0.386 cm2，选择 PC40 的 EI30 磁芯。

(5)计算一次侧和二次侧线圈匝数。

一次侧线圈匝数:
式中:Ae——磁芯的截面积。

由式(5)计算得原边匝数为88圈
二次侧各路线圈匝数计算:
式中:ni——第i路一、二次侧匝比;
U o i——第 i路输出电压;
U d——输出端二极管的压降。

由式(6)、式(7)可以得出各路输出电压与匝数为(+15 V/8圈，+12 V/7圈，－12
V/7圈，+7 V/4圈，+18 V/10圈)。

1.3 关键电路设计
本次光伏辅助开关电源电路原理图如图2所示。

图2 辅助开关电源电路原理图
整个电源系统主要由起动电路、电压反馈电路、欠压保护电路、过流保护电路组成。

(1)起动电路。

系统的起动过程如下:直流母线电压逐渐增大，并通过电阻R13和
R14对C9和C12充电。

当电容上的电压达到NCP1252的启动电压18 V时，NCP1252开始工作。

6脚输出脉宽调制信号控制IGBT执行高频的开关动作，从而使得变压器不停地充放电并将电磁能量传递到二次侧，此后反馈绕组的交流输出经过二极管VD1和VD2整流滤波后，接替起动过程中的直流电压为NCP1252供电，使得系统能正常工作。

(2)电压反馈电路。

为了保证输出直流电压的稳定性，取高频变压器的一个二次侧绕组电压12 V作为反馈电压。

系统正常工作时，变压器反馈绕组输出的电压经过R70与R366分压与TL431的基准电压2.5 V进行比较构成误差比较器，经过线性光耦PC817的电流线性变化控制NCP1252的1脚(FB)进而控制占空比。

(3)开关频率设定。

NCP1252是固定频率控制器，但具有可调节开关频率，设计十分灵活。

在NCP1252的4脚接一颗简单的电阻即可在50～500 kHz范围之间选择开关频率。

本次设计采用的开关频率为60 kHz，于是有
式中:U RT——R t引脚上呈现的内部参考电压，为2.2 V。

由式(8)可得R t=71.5 kΩ。

(4)过流保护电路。

NCP1252通过3脚(CS)和感测电阻R s来感测初级电流以达到过流保护作用。

实际工程设计中R s以一次侧峰值电流的20%余量来计算。

式中:F cs——最大峰值电流感测电压(1 V)。

由式(9)可得R s=830 mΩ。

(5)欠压保护电路。

NCP1252通过2脚(BO)脚获取电阻R76的电压来判断直流母线电压是否突然降低到芯片无法工作的电压。

当2脚检测到电压为1 V时触发芯片自动关机。

本次设计当母线电压低于110 V时辅助电源自动关机，则可以得出R76=10 kΩ。

2 试验结果及分析
将辅助开关电源样机与逆变器结合一起。

配置光伏面板高压1 000 V输入和低压210 V输入进行测试。

各路输出电压纹波最大值不超过0.2 V，以输出+12 V为例，测试输出+12 V纹波最大值为0.13 V，结果如图3和图4所示。

将负载从10%突变到100%时，各路输出电压纹波最大值也不超过0.2 V，以+12 V为例，在负载突变时其最大纹波为0.2 V，如图5所示。

图3 1 000 V电压输入时12 V输出电压纹波
图4 210 V电压输入时12 V输出电压纹波
图5 输出负载从10%突变到100%时12电压纹波
从试验测试可见，样机能够适应大范围的输入电压，具有良好的负载调整率。

3 结语
NCP1252是一款多功能集成PWM芯片。

基于该芯片特性上设计的这款样机与基于一般的PWM芯片设计的开关电源相比，具有很好的负载调整率、低功耗特性、各种安全保护性能以及很高的可靠性;采用双管反激式拓扑，使得这款样机与采用
单管反激式拓扑的开关电源相比，输入电压范围宽一倍。

具有很宽的输出入电压范围的这款样机更能适于宽电压输入范围的三相逆变器的辅助电源，从而解决了输入电池板因串联多而导致其输入逆变器电压很高使得逆变器易损坏的瓶颈。

这款辅助开关电源使得逆变器能适应光伏电池板的高压输入模式而工作在单级模式，提高了逆变器的转换效率。

【参考文献】
［1］张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制［M］.北京:机械工业出版社，2011.
［2］ NCP1252 data sheet［EB/OL］..2013.
［3］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社，1998.
［4］ BILLINGS K.开关电源手册［M］.张占松，汪仁煌，谢丽萍，译.北京:人民邮电出版社，2006.。