吳 林，楊國為，劉 斌

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

光伏發(fā)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(zhuǎn)換和傳遞的作用[3]，因此在這個過程中的轉(zhuǎn)換效率是衡量高頻變壓器設(shè)計好壞的關(guān)鍵因素之一。然而高頻反激變壓器具有能量轉(zhuǎn)化效率高，可以實現(xiàn)多路輸出，是光伏微型逆變器輔助電源理想拓?fù)涞倪x擇。

本文在介紹高頻反激變壓器設(shè)計原理的基礎(chǔ)上。首先，根據(jù)輸入輸出間的電流，電壓，功率，傳遞效率以及工作模式，推導(dǎo)出所選變壓器磁芯，和原副邊的繞線匝數(shù)和股數(shù)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(huán)節(jié)的分壓電阻和補(bǔ)償電阻值與電容值，采用了傳遞函數(shù)和伯德圖的分析方法。最后，利用MATLAB/simulink軟件進(jìn)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(jié)果進(jìn)行驗證。實驗結(jié)果表明，所設(shè)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(jié)構(gòu)

圖1為光伏微型逆變器的結(jié)構(gòu)，在光伏微型逆變器內(nèi)，因為輔助電源起到給系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定的工作。此外，輔助電源的變壓器設(shè)計和繞制方法對系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定也有重要影響，因此，輔助電源的變壓器設(shè)計需要理論計算和軟件仿真以及實驗調(diào)試來確保其高效穩(wěn)定的工作。

圖1 光伏微型逆變器結(jié)構(gòu)Fig.1 Solarmicro inverter structure

2 輔助電源的變壓器設(shè)計

2.1 設(shè)計條件

輸入電壓范圍：(光伏板)35～60 Vdc。

設(shè)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(xù)模式。

IC選擇UC3845，最大占空比Dmax=0.55。

開關(guān)頻率為：fs=40 kHz。

2.2 設(shè)計過程

1）變壓器磁芯材質(zhì)的選擇

選用鐵氧體材質(zhì)TDK PC40，該材質(zhì)的基本參數(shù)如下表。

表1 鐵氧體材質(zhì)TDK PC40相關(guān)參數(shù)Tab.1 TDK ferritem aterial PC40 related parameters

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

當(dāng)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(jù) 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(shù) 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(xù)模式的臨界狀態(tài) （這樣既可以保證電路在任何時候都工作在不連續(xù)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(jīng)驗系數(shù)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(shù)Np

在最大輸入電壓60 V時，Ton=0.55*1/40000Hz=13.75μs，電阻系數(shù) 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(shù) 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(shù)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(jié)構(gòu)Table 2 Transformer widing structure

3 仿真及實驗驗證

為了驗證以上的理論設(shè)計，利用Matlab/simulink軟件構(gòu)建了一個仿真模型，設(shè)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(qū)動信號Ugs；圖三中的1通道是副邊15 V的輸出；2通道是驅(qū)動信號Ugs；3通道是原邊電流。

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

4 結(jié) 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(jù)磁芯手冊的參數(shù)和AP法來計算磁芯的尺寸，從而選擇合適的磁芯，然后根據(jù)原副邊的功率變換關(guān)系來計算原副邊的匝數(shù)和股數(shù)，最后利用Matlab/Simulink[9-10]平臺對分析推導(dǎo)進(jìn)行了仿真；同時，搭建實驗平臺對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。實驗結(jié)果表明，通過三明治繞法和反饋回路合理的設(shè)計，可以較好地實現(xiàn)低損耗和穩(wěn)定輸出的目標(biāo)。

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