王銳東，馬 軍，俞天智

(1. 蘭州交通大學 國家綠色鍍膜技術與裝備工程技術研究中心，蘭州 730070；2. 蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，蘭州 730070)

太陽能是一種清潔無污染的可再生能源，儲量巨大，是未來可再生能源的主力軍，其缺點是照射到地面單位面積上的能流密度低[1-2].現(xiàn)階段世界上太陽能發(fā)電技術的研究主要集中在太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電兩大領域[3].目前國際上流行的太陽能熱發(fā)電技術主要有線性菲涅爾式、塔式、槽式和碟式.線性菲涅爾式(linear fresnel reflector,LFR)聚光器具有結構簡單，一次反射鏡近地面安裝，抗風能力強.二次聚光器在一定的高度固定安裝，不使用旋轉的高溫接頭，解決了旋轉接頭高溫動密封的技術難題，吸熱管外加二次反射鏡不僅提高了光學效率，還減少了熱損失.整個鏡場布置緊密、用地效率高、成本低、系統(tǒng)安全可靠等優(yōu)點[4-6]，被廣泛應用于中低溫及高溫系統(tǒng)中.電源是系統(tǒng)運行的基礎，LFR系統(tǒng)除了大功率電氣裝置外，還有主反射鏡的跟蹤驅動機構直流電機、現(xiàn)場控制器(PLC、觸摸屏等)、通信設備、輻照度測試儀、隔離驅動電路、單片機、位置、溫度、壓力、流量角度傳感器等小功率電氣元件都需要直流電源提供可靠的電源，其穩(wěn)定性和可靠性對設備和系統(tǒng)的安全運行具有重要的影響.另外直流輔助電源的損壞會造成局部控制系統(tǒng)的停運，使得高倍聚光的光斑偏離吸熱器，長期的偏焦會對吸熱器的結構壽命造成不可逆轉的破壞.因此，設計可靠、穩(wěn)定的開關電源對線性菲涅爾太陽能電站具有重要的意義.

本文設計了一種基于UC2842芯片的多路輸出輔助直流電源，并使用Saber軟件對直流輔助電源進行仿真驗證；在直流電源的電路原理圖設計的基礎上，調試硬件電路；最后對其輸出電壓進行測量.

1 直流輔助電源工作原理及設計參數(shù)

1.1 工作原理

直流輔助電源系統(tǒng)主要由輸入電路、功率變換電路、輸出電路和控制電路構成[7].

輸入的交流電經(jīng)整流、濾波處理后轉換為高壓脈動直流電；高壓脈動直流電經(jīng)PWM脈沖發(fā)生裝置、高頻變壓器、開關管轉變成高頻脈沖電壓；高頻脈沖電壓經(jīng)高頻變壓器二次側降壓，再經(jīng)輸出端整流和濾波轉變成為穩(wěn)定的直流電壓.采樣電路的作用是將輸出端的直流電壓釆樣后與電路的基準電壓進行比較，從而控制脈寬調制電路，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定.

1.2 直流輔助電源的設計參數(shù)

根據(jù)線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)直流輔助電源的使用要求、工作環(huán)境、輸入輸出要求，該直流輔助電源的設計參數(shù)見表1.

表1 直流輔助電源設計參數(shù)

2 直流輔助電源的硬件電路設計

2.1 濾波及整流電路設計

電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)濾波電路是當市電進入電源前端后進行的干擾處理電路，對外界的電磁干擾進行處理，并加以消除[8].本設計采用單級EMI結構，如圖1所示.該濾波電路結構簡單、成本低、體積小.C9、C8電容主要用來消除差模干擾，C6、C12電容消除共模干擾，T2為共模電感，它的兩個線圈磁通方向相同，磁環(huán)選擇低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環(huán).經(jīng)耦合后的總輸入電感量對共模信號的感抗極大，導致通過性變差，當有共模電流通過時，兩個線圈上產(chǎn)生的磁場就會互相加強.

圖1 單級EMI濾波電路

利用二極管的單向導通性是進行整流的最常用的電路.在本次設計中采用單相橋式整流電路.

2.2 DC-DC高頻反激變壓器設計

高頻變壓器是直流輔助電源設計中的核心部件[9-10]，它的性能對整個電源的設計起著決定性的作用.該直流電源高頻變壓器有1個一次側初級繞組，3個二次側次級繞組輸出電壓分別為24 V、15 V、5 V.下面以5 V輸出繞組為例進行變壓器設計.

2.2.1 變壓器的磁芯、鐵芯設計

現(xiàn)階段，常用的高頻磁芯材料較多，比如超微晶、納米晶和合金等材料，本設計中采用面積乘積法[11](AP法)完成高頻變壓器選擇.

AP=Ae×Aw=

(1)

其中：Ae為磁芯有效截面積；Aw為鐵芯窗口面積；Kc為變壓器的窗口利用系數(shù)，Kc可以通過原邊電流紋波系數(shù)求得為1；f為工作頻率，設計為100 kHz；ΔB為磁通密度擺幅，選用PC44材料，ΔB選擇0.24 T；Kj為電流密度常數(shù)，取433；X為常數(shù)，由所選磁性確定，取值為-0.17；Ku為鐵芯窗口利用系數(shù)，取0.2.

由輸出功率、電源的轉化效率，以及AP計算公式，得AP=0.43 cm4，通過查詢TDK公司磁芯手冊[12]，選用PC44PQ26/25作為磁芯，Ae=118 mm2，Aw=84.5 mm2，{AP}cm4={Ae}mm2×{Aw}mm2=0.997>0.43，符合基本設計要求.

2.2.2 原、副邊繞組匝數(shù)及匝比

以5 V輸出繞組為例進行變壓器匝數(shù)和匝比的計算.設變壓器的匝比為n，則

(2)

其中：Vin,min為最小輸入電壓；Dmax為最大占空比；Io3、Vo3為5 V副邊輸出電流、電壓.

設原邊繞組匝數(shù)為Ns，副邊繞組匝數(shù)為Np，Vf為5 V輸出整流管的正向電壓，Vo為副邊輸出電壓.

(3)

{Np}匝=n×{Ns}匝=23.9×2=47.8.

(4)

則5 V輸出繞組匝數(shù)為2匝，即每匝電壓為2.5 V；同理可計算得24 V輸出繞組為10匝；15 V輸出繞組為6匝.

2.3 UC2842電源芯片及外圍電路設計

本電源控制芯片采用的是電流控制型脈寬調制芯片UC2842[13]，其外圍電路設計如圖2所示.啟動電路主要由R5、R8、C15組成.當電路初次上電時，UC2842通過R5、R8充電使C15端電壓達到16 V，保證脈沖輸出電路正常工作，然后由輔助繞組對其供電.

圖2 UC2842外圍電路

時鐘振蕩電路由芯片定時電阻R14和C20構成.通過查閱UC2842芯片手冊，得到工作頻率在100kHz時，電容C20大小通常取2.2nF，芯片定時電阻R14阻值由式(5)計算得到.

(5)

采樣電阻R16將峰值電流信號轉化為電壓信號，通過UC2842的3腳反饋到電源控制芯片構成檢測電路.

誤差補償電路由電容C19和接在D端的光耦反饋回路組成.UC2842的6腳發(fā)出PWM脈沖波形控制開關管通斷.

2.4 光耦隔離式反饋回路設計

反饋回路主要有光耦元件PC817和穩(wěn)壓管TL431組合形成反饋環(huán)路[14-15].電路設計如圖3所示.R17和R18經(jīng)過分壓后將調整后的采樣電壓與TL431提供的基準電壓2.5V電壓進行比較.當采樣電壓與TL431參考電壓相同，TL431陰極電位無變化，光耦流過的電流不足以使光耦三極管導通，輸出占空比不變；當采樣電壓大于參考電壓時，TL431陰極電位變低，流過電流增大，同時光耦電流增大導通，UC2842腳電位被拉低，UC2842動作，輸出脈沖占空比下降，控制輸出電壓變小.為了提高控制精度，本設計通過環(huán)路補償來解決由于負載變化而引起的輸出電壓波動問題.

圖3 光耦隔離式反饋回路

2.5 次級輸出回路設計

變壓器次級輸出端主要由整流電路和濾波電路構成.整流電路選擇肖特基二極管，這類二極管有較低的壓降,損耗少，可提高電源板工作效率，它適用于低壓大電流的電路中.

設Vp為次級繞組最大反向電壓，反向電壓為VD，則有：

(6)

VD≥1.25Vp.

(7)

24V輸出繞組整流二極管反向電壓VD1≥114.11V；15V輸出繞組整流二極管反向電壓VD2≥69.225V；5V輸出繞組整流二極管反向電壓VD3≥22.81V.

綜合以上電壓電流指標，24V輸出端使用SR5200，最大反向電壓200V；其余兩路輸出選用具有極短反向恢復時間的肖特基二極管SR5100，最大反向電壓100V.

輸出濾波電容組成了次級輸出濾波電路，它具有儲能和濾波的作用.當MOS管導通，由于整流二極管反偏，次級繞組無能量輸出，負載流過的能量僅由電容提供.本設計選用兩個470μF/35V的大容量電解電容并聯(lián)，最終設計的整體電路如圖4所示.

圖4 反激式變換器輸出回路

3 仿真與實驗結果分析

3.1 仿真分析

根據(jù)設計的電路原理圖在SaberSketch構建仿真模型.系統(tǒng)上電后，UC2842的管腳VCC端電壓迅速能夠達到13V，保證PWM芯片能夠正常工作，如圖5所示，啟動后管腳電壓穩(wěn)定在13V左右.頻率設置端接時鐘信號，時鐘信號波形如圖6所示，相鄰波峰之間時差約為10μs，對應UC2842的工作頻率為100kHz.

圖5 UC2842啟動電壓波形圖

圖6 UC2842芯片時鐘信號

UC2842芯片15V輸出電壓驅動輸出信號及各路電壓輸出波形如圖7、圖8所示.

從圖7芯片輸出信號的PWM波形可以看出，UC2842時鐘震蕩波形信號輸出穩(wěn)定，證明電路工作狀態(tài)穩(wěn)定，電路搭建合理可靠，能夠保證功率轉換環(huán)節(jié)的MOSFET正常通斷.

圖7 UC2842驅動輸出信號

從圖8直流輔助電源副邊輸出電壓波形可以看出，當時間點在0.004s到0.01s時，三組輸出電壓都在0.6ms左右迅速上升到最大值，經(jīng)過適當調整之后，各輸出電路電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最后5V、15V、24V端口實際輸出電壓穩(wěn)定在4.8V、15.8V、24.3V，誤差符合設計要求，輸出穩(wěn)定.

圖8 各路輸出電壓波形圖

3.2 試驗結果

根據(jù)其電路原理圖設計對應的PCB電路，并在AltiumDesigner中針對各元件封裝生成了3D效果圖.對應的3D效果圖和實物圖見圖9、圖10.

圖9 PCB 3D效果圖

圖10 直流電源實物圖

以輸入交流電壓200V為例，采用萬用表對各路輸出電壓進行了測試，在不同輸入交流電壓下各路輸出電壓測試結果見表2.

表2 直流輔助電源輸出電壓測量值

由表2可知，三路輸出電壓測量值接近要求電壓的值，平均誤差小于6%.

4 結論

本文以UC2842芯片為核心，設計一種用于LFR系統(tǒng)的直流輔助電源，完成了直流輔助電源的保護電路、濾波電路、AC-DC整流濾波電路、DC-DC高頻反激變壓器、UC2842電源芯片、開關管外圍電路、光耦隔離式反饋回路設計，以及電源的整體設計.該電源輸入為交流220×(1±0.10)V，三路直流輸出分別為24 V、15 V、5 V.并使用Saber軟件對該電源原理圖進行仿真驗證.結果表明，該直流輔助電源三路輸出直流電壓穩(wěn)定，能夠滿足實際需求.可以為線性菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的單片機、輻照度測試儀、隔離驅動電路、控制器等小功率器件提供可靠的直流工作電壓.