LFR发电系统中直流辅助电源的设计与实现

王锐东，马 军，俞天智

(1. 兰州交通大学 国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心，兰州 730070；2. 兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，兰州 730070)

太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，储量巨大，是未来可再生能源的主力军，其缺点是照射到地面单位面积上的能流密度低[1-2].现阶段世界上太阳能发电技术的研究主要集中在太阳能光伏发电和太阳能光热发电两大领域[3].目前国际上流行的太阳能热发电技术主要有线性菲涅尔式、塔式、槽式和碟式.线性菲涅尔式(linear fresnel reflector,LFR)聚光器具有结构简单，一次反射镜近地面安装，抗风能力强.二次聚光器在一定的高度固定安装，不使用旋转的高温接头，解决了旋转接头高温动密封的技术难题，吸热管外加二次反射镜不仅提高了光学效率，还减少了热损失.整个镜场布置紧密、用地效率高、成本低、系统安全可靠等优点[4-6]，被广泛应用于中低温及高温系统中.电源是系统运行的基础，LFR系统除了大功率电气装置外，还有主反射镜的跟踪驱动机构直流电机、现场控制器(PLC、触摸屏等)、通信设备、辐照度测试仪、隔离驱动电路、单片机、位置、温度、压力、流量角度传感器等小功率电气元件都需要直流电源提供可靠的电源，其稳定性和可靠性对设备和系统的安全运行具有重要的影响.另外直流辅助电源的损坏会造成局部控制系统的停运，使得高倍聚光的光斑偏离吸热器，长期的偏焦会对吸热器的结构寿命造成不可逆转的破坏.因此，设计可靠、稳定的开关电源对线性菲涅尔太阳能电站具有重要的意义.

本文设计了一种基于UC2842芯片的多路输出辅助直流电源，并使用Saber软件对直流辅助电源进行仿真验证；在直流电源的电路原理图设计的基础上，调试硬件电路；最后对其输出电压进行测量.

1 直流辅助电源工作原理及设计参数

1.1 工作原理

直流辅助电源系统主要由输入电路、功率变换电路、输出电路和控制电路构成[7].

输入的交流电经整流、滤波处理后转换为高压脉动直流电；高压脉动直流电经PWM脉冲发生装置、高频变压器、开关管转变成高频脉冲电压；高频脉冲电压经高频变压器二次侧降压，再经输出端整流和滤波转变成为稳定的直流电压.采样电路的作用是将输出端的直流电压釆样后与电路的基准电压进行比较，从而控制脉宽调制电路，实现输出电压稳定.

1.2 直流辅助电源的设计参数

根据线性菲涅尔式太阳能热发电系统直流辅助电源的使用要求、工作环境、输入输出要求，该直流辅助电源的设计参数见表1.

表1 直流辅助电源设计参数

2 直流辅助电源的硬件电路设计

2.1 滤波及整流电路设计

电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)滤波电路是当市电进入电源前端后进行的干扰处理电路，对外界的电磁干扰进行处理，并加以消除[8].本设计采用单级EMI结构，如图1所示.该滤波电路结构简单、成本低、体积小.C9、C8电容主要用来消除差模干扰，C6、C12电容消除共模干扰，T2为共模电感，它的两个线圈磁通方向相同，磁环选择低损耗、高导磁率的铁氧体磁环.经耦合后的总输入电感量对共模信号的感抗极大，导致通过性变差，当有共模电流通过时，两个线圈上产生的磁场就会互相加强.

图1 单级EMI滤波电路

利用二极管的单向导通性是进行整流的最常用的电路.在本次设计中采用单相桥式整流电路.

2.2 DC-DC高频反激变压器设计

高频变压器是直流辅助电源设计中的核心部件[9-10]，它的性能对整个电源的设计起着决定性的作用.该直流电源高频变压器有1个一次侧初级绕组，3个二次侧次级绕组输出电压分别为24 V、15 V、5 V.下面以5 V输出绕组为例进行变压器设计.

2.2.1 变压器的磁芯、铁芯设计

现阶段，常用的高频磁芯材料较多，比如超微晶、纳米晶和合金等材料，本设计中采用面积乘积法[11](AP法)完成高频变压器选择.

AP=Ae×Aw=

(1)

其中：Ae为磁芯有效截面积；Aw为铁芯窗口面积；Kc为变压器的窗口利用系数，Kc可以通过原边电流纹波系数求得为1；f为工作频率，设计为100 kHz；ΔB为磁通密度摆幅，选用PC44材料，ΔB选择0.24 T；Kj为电流密度常数，取433；X为常数，由所选磁性确定，取值为-0.17；Ku为铁芯窗口利用系数，取0.2.

由输出功率、电源的转化效率，以及AP计算公式，得AP=0.43 cm4，通过查询TDK公司磁芯手册[12]，选用PC44PQ26/25作为磁芯，Ae=118 mm2，Aw=84.5 mm2，{AP}cm4={Ae}mm2×{Aw}mm2=0.997>0.43，符合基本设计要求.

2.2.2 原、副边绕组匝数及匝比

以5 V输出绕组为例进行变压器匝数和匝比的计算.设变压器的匝比为n，则

(2)

其中：Vin,min为最小输入电压；Dmax为最大占空比；Io3、Vo3为5 V副边输出电流、电压.

设原边绕组匝数为Ns，副边绕组匝数为Np，Vf为5 V输出整流管的正向电压，Vo为副边输出电压.

(3)

{Np}匝=n×{Ns}匝=23.9×2=47.8.

(4)

则5 V输出绕组匝数为2匝，即每匝电压为2.5 V；同理可计算得24 V输出绕组为10匝；15 V输出绕组为6匝.

2.3 UC2842电源芯片及外围电路设计

本电源控制芯片采用的是电流控制型脉宽调制芯片UC2842[13]，其外围电路设计如图2所示.启动电路主要由R5、R8、C15组成.当电路初次上电时，UC2842通过R5、R8充电使C15端电压达到16 V，保证脉冲输出电路正常工作，然后由辅助绕组对其供电.

图2 UC2842外围电路

时钟振荡电路由芯片定时电阻R14和C20构成.通过查阅UC2842芯片手册，得到工作频率在100kHz时，电容C20大小通常取2.2nF，芯片定时电阻R14阻值由式(5)计算得到.

(5)

采样电阻R16将峰值电流信号转化为电压信号，通过UC2842的3脚反馈到电源控制芯片构成检测电路.

误差补偿电路由电容C19和接在D端的光耦反馈回路组成.UC2842的6脚发出PWM脉冲波形控制开关管通断.

2.4 光耦隔离式反馈回路设计

反馈回路主要有光耦元件PC817和稳压管TL431组合形成反馈环路[14-15].电路设计如图3所示.R17和R18经过分压后将调整后的采样电压与TL431提供的基准电压2.5V电压进行比较.当采样电压与TL431参考电压相同，TL431阴极电位无变化，光耦流过的电流不足以使光耦三极管导通，输出占空比不变；当采样电压大于参考电压时，TL431阴极电位变低，流过电流增大，同时光耦电流增大导通，UC2842脚电位被拉低，UC2842动作，输出脉冲占空比下降，控制输出电压变小.为了提高控制精度，本设计通过环路补偿来解决由于负载变化而引起的输出电压波动问题.

图3 光耦隔离式反馈回路

2.5 次级输出回路设计

变压器次级输出端主要由整流电路和滤波电路构成.整流电路选择肖特基二极管，这类二极管有较低的压降,损耗少，可提高电源板工作效率，它适用于低压大电流的电路中.

设Vp为次级绕组最大反向电压，反向电压为VD，则有：

(6)

VD≥1.25Vp.

(7)

24V输出绕组整流二极管反向电压VD1≥114.11V；15V输出绕组整流二极管反向电压VD2≥69.225V；5V输出绕组整流二极管反向电压VD3≥22.81V.

综合以上电压电流指标，24V输出端使用SR5200，最大反向电压200V；其余两路输出选用具有极短反向恢复时间的肖特基二极管SR5100，最大反向电压100V.

输出滤波电容组成了次级输出滤波电路，它具有储能和滤波的作用.当MOS管导通，由于整流二极管反偏，次级绕组无能量输出，负载流过的能量仅由电容提供.本设计选用两个470μF/35V的大容量电解电容并联，最终设计的整体电路如图4所示.

图4 反激式变换器输出回路

3 仿真与实验结果分析

3.1 仿真分析

根据设计的电路原理图在SaberSketch构建仿真模型.系统上电后，UC2842的管脚VCC端电压迅速能够达到13V，保证PWM芯片能够正常工作，如图5所示，启动后管脚电压稳定在13V左右.频率设置端接时钟信号，时钟信号波形如图6所示，相邻波峰之间时差约为10μs，对应UC2842的工作频率为100kHz.

图5 UC2842启动电压波形图

图6 UC2842芯片时钟信号

UC2842芯片15V输出电压驱动输出信号及各路电压输出波形如图7、图8所示.

从图7芯片输出信号的PWM波形可以看出，UC2842时钟震荡波形信号输出稳定，证明电路工作状态稳定，电路搭建合理可靠，能够保证功率转换环节的MOSFET正常通断.

图7 UC2842驱动输出信号

从图8直流辅助电源副边输出电压波形可以看出，当时间点在0.004s到0.01s时，三组输出电压都在0.6ms左右迅速上升到最大值，经过适当调整之后，各输出电路电压趋于稳定状态，最后5V、15V、24V端口实际输出电压稳定在4.8V、15.8V、24.3V，误差符合设计要求，输出稳定.

图8 各路输出电压波形图

3.2 试验结果

根据其电路原理图设计对应的PCB电路，并在AltiumDesigner中针对各元件封装生成了3D效果图.对应的3D效果图和实物图见图9、图10.

图9 PCB 3D效果图

图10 直流电源实物图

以输入交流电压200V为例，采用万用表对各路输出电压进行了测试，在不同输入交流电压下各路输出电压测试结果见表2.

表2 直流辅助电源输出电压测量值

由表2可知，三路输出电压测量值接近要求电压的值，平均误差小于6%.

4 结论

本文以UC2842芯片为核心，设计一种用于LFR系统的直流辅助电源，完成了直流辅助电源的保护电路、滤波电路、AC-DC整流滤波电路、DC-DC高频反激变压器、UC2842电源芯片、开关管外围电路、光耦隔离式反馈回路设计，以及电源的整体设计.该电源输入为交流220×(1±0.10)V，三路直流输出分别为24 V、15 V、5 V.并使用Saber软件对该电源原理图进行仿真验证.结果表明，该直流辅助电源三路输出直流电压稳定，能够满足实际需求.可以为线性菲涅尔太阳能热发电系统的单片机、辐照度测试仪、隔离驱动电路、控制器等小功率器件提供可靠的直流工作电压.