风力发电系统中直流辅助电源的设计与仿真

2021-10-15潘强强

科学技术与工程 2021年27期

潘强强

(西北师范大学物理与电子工程学院，兰州 730070)

近年来，风能作为新能源领域最有前景的能源类型得到了大力发展，而对于风力发电系统的一些监测电子元件，比如温度传感器、风向传感器、系统控制单元等小功率模块，在工作过程中一般都由低电压直流辅助开关电源系统供电。

对于开关电源的研究，文献[1]研究分析了反激开关电源中的共模干扰，尤其是变压器绕组结构及外接电路对系统共模干扰所产生的影响，并提出了一种抑制共模干扰的方法；文献[2]研究分析了开关电源系统中反激变压器的共模噪声，给出了不完全屏蔽层和平衡绕组两种抑制共模噪声的定量计算方法；文献[3]采用IRS2500S芯片，研制了一款输出功率为100 W的反激式功放电源样机；文献[4]基于UC3845芯片设计了一款输入电压在 175～700 V较宽范围的开关电源；文献[5]根据真空行业的需求，设计了一款最大输出功率为20 W的小型离子泵电源；文献[6]结合测井仪井下探管直流电源系统的应用需求，设计了一款满足要求的反激式开关电源；文献[7]针对电动汽车控制电路，设计了一款输出功率为25 W的反激开关电源。

尽管学者们在开关电源的设计上做了大量研究，但不同领域对开关电源的设计指标要求不同。就风力发电系统而言，系统运行过程中各监测单元模块使用不同电压等级的电源分别对其进行独立供电，致使系统中供电线路繁杂，直流辅助开关电源的整体体积变大，因此一款多输出且体积较小的直流辅助开关电源显得非常亟需。

风力发电系统正常运行过程中，需要对风速风向波动、机械振动、发电机组运行温度等进行监控，而各个监测单元模块中所涉及的检测元件(如风速风向传感器、振动传感器、温度传感器、信号变送器以及信号预处理板等)、控制器以及单元模块驱动电路常需5、15、24 V的供电电源。因此，针对风力发电系统中各监测单元模块对直流辅助电源的需求，设计一款具有5、15、24 V的直流多输出形式的电源，为风力发电系统中各监测单元模块提供电能。

1 辅助电源系统基本结构

风力发电系统中，直流辅助电源为小型直流用电设备(监测单元模块)提供直流电，本文中设计的辅助电源本质上是一款多输出的单端反激开关电源，其辅助电源系统的结构如图1所示，基本结构包括输入滤波整流电路、功率变换电路、输出电路以及反馈稳压控制电路。

图1 辅助电源基本电路结构Fig.1 Basic circuit structure of auxiliary power supply

直流辅助电源工作时，将输入端接入的 AC220 V±10%交流电，经整流、滤波处理后转换为高压直流电并加载于反激变压器的原边线圈，同时利用功率开关管控制高频变压器原边线圈线路的通断时间来影响反激变压器的工作模式，最终把高频变压器的原边加载功率转换为负载所需功率。

2 电路设计

各监测单元模块直流辅助电源电路的设计中，本文中将以脉宽调制(pulse width modulation，PWM)的方式进行多输出稳压电源设计，其辅助电源相关参数的具体要求是：输入电压AC220 V±10%，多输出电压分别为DC24 V/1 A、15 V/1 A、5 V/2 A，变压器工作的开关频率f=100 kHz，传输效率η=80%，电压精度小于等于±10%。

电路参数的设计中，共模电感选用了15 mH的UU10.5，整流桥选用3 A/1 000 V的KBP307，MOS管选用耐压值为600 V的10N60，功率变换器采用反激式的拓扑结构。输出反馈回路用到的主要元器件有PWM驱动信号输出芯片UC2842，稳压管TL431和光电耦合器PC817。对于以脉宽调制方式的多输出直流辅助开关电源的设计，其控制电路和反激变压器的设计是整个电路的重点和难点。

2.1 反馈控制电路

辅助电源工作中由于输入电压的波动会导致输入电流、输出电压的不稳定，为了解决这些情况，可通过对输入电流、输出电压信号的波动进行双闭环反馈控制来改善这些情况。本文中设计的直流辅助电源反馈回路主要涉及脉宽调制芯片UC2842的外围电路搭建和光耦隔离式反馈电路的设计两部分内容，其中光耦隔离式反馈回路对输出电压进行采样，脉宽调制芯片UC2842根据采样信号有效控制MOS(metal，oxide，semiconductor)管。结合反馈控制回路，本文中设计的直流辅助开关电源总电路如图2所示。电源电路设计中，输入滤波整流电路中电容C5可选470 V/100 μF的电解电容，输出电路中C8～C13可选35 V/470 μF的电解电容。

图2 多输出电源原理图Fig.2 Schematic diagram of multiple output power

在UC2842外接电路的搭建中，通过把该芯片的电压反馈输入引脚(VFB)接地的连接方式来设计反馈控制回路。UC2842芯片的启动电压通过电阻R1给电解电容C18充电后来实现。考虑到电路中一定的裕量，电容C18可选25 V/100 μF的电解电容；芯片启动后，工作电压由高频反激变压器的副边绕组提供。功率MOS管的PWM驱动信号由芯片UC2842的输出引脚OUTPUT来实现，其信号频率f=1.72/(R16C21)≈100 kHz(R16为R16电阻值，C21为C21电容值)。针对输入电流波动的反馈，可通过采样电阻R12来实现，其原理是将MOS管源极电流转化为电压信号，反馈到UC2842芯片的电流取样输入引脚(INSESE)，从而检测输入电流的变化。

至于光耦隔离式反馈电路部分，考虑利用稳压管TL431和光电耦合器PC817的组合电路来实现。电路设计中，稳压管TL431接高频反激变压器的次级绕组5 V电压输出端，当输出电压发生波动时，会导致TL431参考端电压的变化，从而影响PC817输入侧二极管的工作情况。光电耦合器PC817主要是将输入侧电压的变化通过输出侧反馈到UC2842芯片的误差放大器的输出端(COMP)，从而对输出电压的波动实现光耦隔离式反馈。

根据芯片手册，UC2842芯片内部电路将电流取样输入端(ISENSE)连接到UC2842芯片内部的电流比较器的同相端，并与误差放大器的输出端的反馈电压大小进行比较，构成对输入电流、输出电压波动的双闭环控制，从而改变芯片内部脉宽调制锁存器复位端R的状态，控制PWM波的占空比，控制MOS管的开断时间。电源输出电压升高时，光耦导通，误差放大器输出端的电压变小，占空比变小，控制输出电压变小；反之，从而完成对输出电压的调控。

2.2 DC-DC高频反激变压器

高频变压器是隔离式反激变换器的核心部件，它的性能直接影响整个变换器的工作状态是否达到要求。本文设计的高频变压器绕组一次侧为初级绕组，二次侧次级绕组为输出24 V绕组、15 V绕组、5 V绕组以及UC2842芯片的12 V供电绕组。

2.2.1 反射电压Uor、初次级线圈匝数比n、最大占空比Dmax

直流辅助电源在多路输出的情况下，总输出功率为各路输出功率之和。根据设计要求，其直流辅助反激开关电源的总输出功率Po(包括损耗)约估算为55 W，考虑输入输出电路损耗问题，取输入功率Pin=Po/η+P损耗≈70 W，同时考虑20 V左右的输入电路压降因素，则反激变压器初级的输入电压Uin范围约为260 V≤Uin≤322 V。反激变压器的设计中，为了保证电源工作中功率开关管不被击穿损坏，高频反激变压器的参数计算以选定的具体开关管的参数为基础，根据输入电压的大小选择耐电压Uds为600 V的功率MOS管。反射电压的计算过程中，考虑选取0.25Uinmax的漏感尖峰电压Uspike，MOS管保留10%的裕量电压Umargin，则根据伏秒积相等原则，变压器原副边线圈匝数比n、最大占空比Dmax[8-13]分别为

(1)

(2)

式中：Np、Ns分别为变压器原副边匝数；Uo为变压器副边输出电压，当输出电压为5 V时，匝数比n值为23.5，取值24匝；Uinmin、Uinmax分别为变压器初级绕组最小、最大直流输入电压；Uor为反射电压，其值为137.5 V；Ud为副边整流二极管的导通压降，取 0.85 V；T为MOS管开关断周期，Ton为MOS管导通时间，Uoff为MOS管关断时初级线圈绕组两端的电压，而反激电源的最大占空比出现在最低输入电压的状态，经计算最大占空比约为34.6%，基本符合设计要求。

2.2.2 变压器原边的电感值Lp和峰值电流ILpk

高频反激变压器根据其工作过程中初级线圈电感电流是否连续有连续工作模式和断续工作模式，在反激式辅助电源参数值的估算过程中应区别对待[14]。鉴于这两种工作模式的特殊性，在具体理论参数的估算中可引入电感线圈电流波峰比例系数来提高计算效率，其初级线圈峰值电流ILpk、电感值Lp计算公式[15-18]为

(3)

(4)

式中：初级线圈的平均电流Iavg=Pin/Uinmin；电感线圈电流波峰比例系数r=ΔIp/ILpk，ΔIp为初级线圈绕组中电流的变化值；f为MOS管关断频率。通常情况下取r=0.5～1，本文中的电源设计中取r=1，取f=100 kHz，经计算约取ILpk=1.56 A，约取Lp=570 μF。

2.2.3 变压器磁芯、绕组匝数、气隙

考虑到高频率、低损耗以及高磁通密度的饱和等因素，本文中高频变压器的磁芯材料选择功率铁氧体材料Mn-Zn作为优选材料；磁芯尺寸方面利用AP值查表法选择合适型号的磁芯。经估算后，高频反激变压器的磁芯最终根据TDK公司磁芯手册选用PC40PQ26/25型号的变压器磁芯，磁芯截面积Ae为118 mm2，窗口面积Aw=84.5 mm2，通过计算，该磁芯AP=AeAw=9 971 mm4，变压器副边线圈的匝数、气隙计算公式[19]为

(5)

Np=nNs

(6)

(7)

式中：ΔB为铁芯磁通密度变化量；Toff为MOS管关断时间；Gap为磁芯气隙；μ0为真空磁导率。在电源设计中，根据所选磁芯材料及结构，经计算折中后，ΔB选取经验值0.24 T，反激高频变压器初级线圈绕组匝数Np为48匝，5 V输出绕组线圈为2匝，12 V输出绕组线圈为5匝，15 V输出绕组线圈为6匝，24 V输出绕组线圈为10匝，磁芯气隙Gap为0.618 mm。

3 辅助电源的电路仿真

在辅助电源的电路仿真过程中，利用Saber仿真软件对设计的开关电源电路进行仿真分析。Saber软件是美国Synopsys公司的一款电路仿真软件，该软件在开关电源的模拟中，可提供大量电源专用器件、功率电子器件以及高精度的电路仿真模型单元库，且可方便对电路各节点信号进行观察，能为设计者提供便利[20]。为了分析本文中设计的直流辅助电源电路中各参数值估算的合理性，电路仿真中主要对辅助电源的PWM驱动信号、MOS管漏极电压以及输出电压进行仿真。

图3中PWM曲线为MOS管栅极驱动信号，图4中Uds曲线为MOS管漏极电压。从图4中明显可以看出漏极电压接近400 V，说明本文中设计中选用的耐压值为600 V的功率MOS管完全满足电路电气设计要求。从图3可知，系统PWM驱动信号的频率约为99.3 kHz，最大占空比约为32.9%，基本接近本文中所要设计的开关电源的频率(100 kHz)和占空比(34%)的指标要求。