靳利光，郭長亮，楊 志，羅文清

( 1.國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310000；2.國網松原供電公司，吉林 松原 1380002；3.國網甘孜供電公司，四川 甘孜 626000; 4.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

寬輸入多輸出雙管反激式輔助電源研究

靳利光1，郭長亮2，楊 志3，羅文清4

( 1.國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 310000；2.國網松原供電公司，吉林 松原 1380002；3.國網甘孜供電公司，四川 甘孜 626000; 4.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

針對光伏和儲能電池輸出直流電壓變化范圍寬的問題，設計一款寬輸入多輸出雙管反激式輔助電源，為光伏逆變器或儲能變流器輔助供電。采用可變開關頻率控制策略，根據負載變化動態(tài)調節(jié)開關頻率，以減小開關損耗。采用推挽式變壓器隔離驅動電路實現輸入輸出端的電氣隔離，提高了驅動信號的同步性和控制核心的可靠性。利用三端穩(wěn)壓器和線性光耦實現輸入輸出的反饋和隔離，設計了多路輸出電壓反饋電路，提高輔助電源的穩(wěn)定性。搭建輸入電壓為DC200～900V實驗平臺，驗證了寬輸入多輸出雙管反激式輔助電源的正確性和可行性。

雙管反激式；輔助電源；寬輸入多輸出；高頻變壓器；多路反饋

將光伏儲能接入電網的電力電子裝置中，不同器件工作電壓不完全相同，所以需要輔助電源系統(tǒng)能夠提供多等級直流電壓，以滿足不同器件工作電壓的需求[1-2]。目前，已有輔助電源解決方案是取網側交流電或光伏儲能電池直流電經各種功率變換為裝置供電。

采用網側交流電，經工頻變壓器降壓、整流等一系列變換得到需要等級電壓為裝置供電，它的缺點有：1)增加接線難度；2)工頻變壓器體積大；3)效率低且成本高；4)光照度太低時，逆變器停止工作，網側輔助電源繼續(xù)供電，增加功耗。采用光伏或儲能電池直流電時，文獻[3]提出固定開關頻率下AC85～265V輸入的單管反激變換電路，RCD吸收電路帶來的能耗[4]，使得單管反激電路傳輸效率下降；其次隨著電壓等級的不斷提高，功率管承受電壓范圍有限，限制其只能用于中低壓環(huán)境。文獻[5-6]采樣單路輸出電壓作為反饋信號，當其他輸出回路負載有較大變化時，同樣會影響有反饋回路的穩(wěn)定性，降低開關電源的可靠性。文獻[7-9]為減少開關損耗，采用軟開關技術，但缺點是額外增加開關管，增加了電路的復雜性和設計成本。

針對以上缺點，本文提出以雙管反激式為主電路拓撲結構的寬輸入多輸出輔助電源設計方案。采用可變開關頻率控制器實現在不同輸入電壓和負載情況下的不同開關頻率控制，降低輕載下開關損耗。通過對輸出兩路電壓不同程度分壓合成基準電壓，實現多端反饋控制。輸入端為直流母線電壓，可以達到黑啟動效果[10]，適合輸入電壓變化范圍大的光伏儲能變流裝置等應用場合。

1 輔助電源設計方案

開關電源主要采用雙管反激式電路拓撲結構和可變開關控制芯片作為核心控制組件，設計模塊主要有：功率電路模塊，啟動電路，控制電路，驅動電路，反饋電路等。

1.1 功率主電路[11-13]

雙管反激式變換電路具有寬范圍輸入特性，在光伏儲能等發(fā)電系統(tǒng)輸出直流電壓變化范圍寬的場合具有很高的應用價值。主拓撲電路結構如圖1所示，當主開關管S1、S2導通時，高壓直流側通過開關管S1、S2、高頻變壓器形成回路， 將能量存儲在變壓器的磁路中；當主開關管S1、S2關斷后，變壓器與D1、D2形成回路，由于初級電流不能突變，電路又將之前存儲的磁能轉化成電能，由變壓器次級向負載端輸出，完成能量的傳遞。

雙管反激變換電路根據負載條件和輸入電壓的變化可分為兩種工作模式：即連續(xù)導通模式(CCM)和斷續(xù)導通模式(DCM)。當電路工作在CCM模式時，有

當電路工作在DCM時，有

式中：N1、N2分別是變壓器初級次級匝數，LP是變壓器初級電感，RL是負載等效電阻，Ts為導通開關周期。

在雙管反激電路中，其最大占空比不能超過50%，因為開關管關斷，變壓器進入復位時間，由于D1、D2將變壓器電壓鉗位在Vin，所以變壓器復位電壓必須滿足以下條件：

VinD≤Vres(1-D)≤Vin(1-D)

推出D≤50%。當低壓輸入且滿負載輸出時，根據伏秒數法則可知，雙管反激電路最大占空比為

1.2 高頻變壓器設計

1.2.1 磁芯選擇

在雙管反激式輔助電源中，其核心是高頻變壓器的設計。開關電源的性能和開關管工作狀態(tài)的優(yōu)劣很大程度上受高頻變壓器的影響。高頻變壓器不僅具有變壓隔離功能，還起到儲能電感的作用。設計磁性元件與特制或成品電感不同，須加氣隙提高磁芯的能量存儲能力，若無氣隙或氣隙太小，磁芯一旦存儲少許能量就容易達到飽和，導致電路無法正常工作；若氣隙太大，則必然導致線圈匝數增多，增大繞組的銅耗，且漏感過大將大大減小電路的效率。故此時根據實用性進行折中選擇，通常采用如下公式：

(1)

式中：Pin=Po/η(約)；f為最高頻率65 kHz；r為電流紋波率。在設計離線式變壓器時，需要降低高頻銅耗、減小變壓器體積等各種原因，通常r取0.5左右。將以上數據帶入式(1)可得Ve=6.282 cm3。查閱文獻[14]可知EI30中有符合要求的規(guī)格，且鐵芯的等效長度和面積參數已給出：le=5.78 cm，Ae=1.10 cm2，Ve=leAe=6.358 cm3，剛好滿足要求。

圖1 雙管反激式原理圖

1.2.2 初次級匝數計算

初級匝數計算公式為

(2)

式中：Von為次級電壓在初級等效電壓；磁通密度變化BPK=0.3 T；最大占空比Dmax=0.5。將以上數據帶入式(2)得初級線圈匝數n1≈64。初次級匝數之比為n=Von/(Vo+VD)≈6.96，式中Vo=15V，VD是整流二極管導通壓降。次級n2+n3=n1/n≈10，根據電壓和匝數之間的關系可知n2=2，n3=8。

1.2.3 變壓器磁芯氣隙計算

變壓器存在氣隙是為了防止磁飽和，合適的氣隙長度有助于傳輸效率的提高?？紤]到材料的磁導率，初級電感L與磁導率的相關方程有

其中氣隙系z=(le+lg)/le，L=η(UminDmax)2/2fPo，lg為氣隙長度，相對磁導率系數μ=2000，自由空間磁導率μ0=4π10-7H/m。

對于鐵氧體材料的高頻氣隙變壓器，z的取值在10～20之間是較好的折中選擇。經計算得，z=12，符合要求，則氣隙的長度為lg=0.319 mm。

1.3 高頻變壓器設計

為了提高整體輸出電壓的精度和響應速度，采用多路電壓反饋電路。若反饋電路只采集單路輸出電壓作為反饋信號，當其他無反饋輸出電路負載變化時，同樣會影響有反饋輸出電路的穩(wěn)定性，導致輔助電源整體性能下降。多路反饋電路是利用電阻R1，R2和R6分別對輸出電壓進行分壓反饋，不同輸出電壓采用一定比例的權值。當其中一路負載發(fā)生變化時，采樣電壓發(fā)生變化，反饋給控制器，最終調節(jié)PWM頻率輸出。由C1、C2、R5構成頻率補償回路，提高頻率響應速度。

2 實驗結果與分析

設計DC200～900V寬范圍輸入，DC15V/2A，12V/1A的多輸出雙管反激式輔助電源，最高工作頻率f=65 kHz。如圖2所示。

根據NCP1351工作原理可知，工作頻率由負載大小和輸入電壓高低決定。圖3為實驗波形，當負載升高到一定程度時，電源工作頻率被Ct鉗位在最大工作頻率處；當負載降低時，系統(tǒng)工作頻率下降，有效降低了功率管的開關損耗，提高在輕載條件下的系統(tǒng)效率。

圖2 雙管反激式裝置Fig.2 Dual switching flyback device

圖3 負載和頻率關系圖Fig.3 Relationship between load and frequency

如圖4所示為在不同輸入電壓和輸出負載條件下功率管的Vds和Vgs波形圖。由圖4可知，輸入電壓相同時，負載越大，開關頻率越高，且導通時間越長；負載相同時，輸入電壓越高，開關頻率越高，且導通時間越短。圖4中Vds最高電壓值被鉗位在輸入電壓，保證了功率管的可靠性。

在滿載輸出情況下，圖5(a)為直流15 V、12 V輸出波形，圖5(b)是直流15 V、12 V的交流紋波，兩路輸出紋波基本在100 mV范圍內，15 V峰尖值不超過180 mV，12 V峰尖值不超過150 mV。

利用功率分析儀測量在滿載輸出時，不同輸入電壓下的效率以及輸出電壓值，如表1所示。

表1電源輸入輸出特性

Table1Powerinput/outputcharacteristics

輸入電壓/V輸出電壓/V效率/%空載損耗/mW20015．12 12．0979．231030015．13 12．0977．836040015．14 12．0876．542050015．14 12．0874．749060015．15 12．0872．653070015．15 12．0771．260080015．15 12．0669．074090015．16 12．0666．1910

圖4 Vsd和Vgs波形圖

圖5 直流輸出波形

輸入電壓的升高， 效率逐漸降低， 效率主要在70%～80%之間；同時，空載損耗也逐漸增多。輸出15 V、12 V通道電壓偏高，且隨著輸入電壓的升高都有一定的變化，但變化范圍較小。實驗可知，在200～900V寬輸入電壓下，雙管反激式輔助電源輸出穩(wěn)定。

3 結 論

以電流控制模式控制控制器，設計一款輸入電壓DC200～900V，輸出15V/2A、12V/1A的雙管反激式輔助電源，具有電路結構簡單、外圍電路少、高隔離、多反饋等特點。通過實驗驗證了在不同輸入電壓下輔助電源的工作情況，證明雙管反激式輔助電源具有良好的穩(wěn)壓性能，輸出電壓紋波小，效率較高，在光伏儲能等直流電壓變化范圍大的場合具有廣闊應用前景。

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Research on wide-input and multiple-output double-transistor flyback auxiliary power supply

JIN Liguang1,GUO Changliang2,YANG Zhi3,LUO Wenqing4

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company branch overhaul,Hangzhou, 310000, China; 2. State Grid Songyuan Power Supply Company,Songyuan 1380002,China; 3. State Grid Ganzi Power Supply Company,Ganzi 626000,China; 4. School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China;)

A wide-input and multiple-output dual-tube flyback auxiliary power supply is designed for the photovoltaic inverter and energy storage converter, which is a kind of auxiliary power supply for photovoltaic inverter and energy storage converter. Using variable switching frequency control strategy, according to the load changes dynamically adjust the switching frequency to reduce the switching losses. The use of push-pull transformer isolation drive circuit to achieve the input and output of the electrical isolation, improve the synchronization of the drive signal and control the reliability of the core. The feedback and isolation of the input and output are realized by using the three - terminal regulator and the linear optocoupler. The output voltage feedback circuit is designed to improve the stability of the auxiliary power supply. The input voltage is DC200V-900V experimental platform, which verifies the correctness and feasibility of the wide input and multiple output double flyback auxiliary power supply.

double-tube flyback; auxiliary power supply; wide input multiple output; high frequency transformer; multiple feedback

2017-02-27;

2017-04-29。

靳利光(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向為新能源電力電子技術。

TM615;TM131.6

A

2095-6843(2017)05-0392-05

(編輯陳銀娥)