高可靠风力发电Buck变换器设计

1 引言

中电华星风能电源工程师在市场上发现风力发电的变桨电机制动系统中需要一种可靠的模块电源，它要求：① 高效率的蓄电池输入；②28～160 V超宽输入直流电压范围：③ 高功率密度，输出为24 V／13 A，体积要求90x64x26 mm。；④高可靠性，适用于海边等恶劣环境。由于输入电压变化范围很宽(1：6)，最低输入与输出电压差值小(占空比达90％)，且为了保证因变桨电机频繁起停而导致负载突变时的电源稳定，通常采用两级变换．电压输入较低时先升压后再进行降压。但采用两级变换。必然减少了效率．增大了电源的体积，这与电源要求的高功率密度、高效率不符。于是组织相关工程师共同攻关。

中电华星电源工程师在研发过程中为提高电源效率及可靠性．在超宽范围输入电压的直流稳压源的设计中．采用高频高效的单级Buck变换器及有效的控制方式满足全输入电压及全负载范围内电源的稳定。

2 Buck变换器控制回路设计

2．1 控制方式的确定

一般Buck电路中，较常使用的控制方式为电压型和峰值电流型。在仅电压环形成闭环控制的电压型PWM控制方式中。由于LC滤波器中存在电感 L,导致了180°相移和40 dB／dec的增益衰减,导致电压模式环路不易稳定。特别是对于电源要求的宽范围输入电压条件。而在输出电感峰值电流内环和电压外环的电流模式控制方式中．通过小信号分析，输出电感可视为一个恒流源，输出可视为一个电流源给并联的电容和负载电阻供电，故仅造成90°相移和20 dB／dec的增益衰减． 使得误差放大器的补偿简化．适应于该输入电压和负载大范围变化的场合。

电源采用峰值电流模式的控制方式。由峰值电流模式控制芯片UC2843构成PWM控制电路图1示出Buck主电路及控制驱动电路的原理图。图中，T1为检测开关管峰值电流的互感器，它将检测的开关管峰值电流信号比例缩小，滤波后送入UC2843的电流检测脚。此外，由于本电源的宽输入电压变化。需要占空比变化范围为15％～90％，而峰值电流模式控制方式在占空比超过50％时会引起环路不稳定，需通过VQ2，R5进行斜坡补偿。经过改进后的电流模式控制方式很好地满足了电源的要求。

2．2 驱动回路、保护电路的设计

根据Buck电路的特点。其功率管门极在导通后参考地的电压为电源电压．所以需要对驱动电路进行处理。通常采用变压器隔离方式进行驱动，但该方式不适合此处占空比变化范围过宽的场合。如图1所示， 采用半桥自举驱动集成电路IR2110，利用其上桥臂的输出，驱动电流±2 A，自举电压可达到500 V。不仅较好地解决了悬浮驱动的问题，而且可靠性高，成本低廉。

此电源安装在风力发电机上．在变桨频繁启停及负载突变过程中．要求电源模块安全工作，可靠性高，不能损坏。除常规的过温保护、输入过／欠压保护、输入反接保护(VD1)及输入／输出瞬态电压防护(VD3，VD4 )外，另加入打嗝式保护电路，使其可承受长时间短路状态．且当短路消失后自动恢复工作。

由于存在峰值电流内环． 电源本身具有限流及短路保护的作用，当负载短路时．流过开关管的电流迅速增大。经过电流互感器采样后。超过设定值时。UC2842封锁脉冲输出．等待下一个周期时再次输出脉冲。但在长时间短路时，每个周期都有较大的峰值电流脉冲经过开关管，开关管损耗大．易引起雪崩效应导致开关管损坏．故此处利用比较器设计打嗝保护电路，如图2所示。图中电路检测输出电压，当小于额定值的1／10时，即认为电路发生短路。然后由可变门限的比较器构成脉冲发生器，输出低电平时，UC2843的COMP脚拉低，电源关闭输出。输出高电平时，电源正常输出。输出低电平的时间可由 R7,R12,R13,R14,C4进行确定。

3 输入、输出单元设计

3．1 输出电感及电容的选取

输出滤波元件不仅决定了电源的稳定性，同时也是DC／DC变换器设计中关键部分。输出电感L作为储能和滤除纹波的元件需综合考虑体积、电流脉动大小来选择，并防止饱和。其表达式为：

滤波电容的选择需满足输出纹波的要求。对于给定的电感电流纹波．在500 kHz以下，输出纹波由输出滤波电容及其等效串联电阻(ESR)确定。通常情况下．输出电压纹波主要由交流纹波电流与电容ESR的乘积决定。电感确定后即可得出纹波电流。再根据所需的纹波大小选择电容，应选择高频低阻的电解电容或低ESR贴片陶瓷电容。

3．2 输入滤波器的选取

除电容的耐压值要大于电源电容最大输入电压外．输入电容的选择还需要满足所需的纹波电流，故纹波电流可通过下式进行计算得到：

由上式可知，最大纹波电流发生在D=0．5时，此时纹波电流为输出电流的1/2．于是可根据此值选择电容。可根据体积要求选择电解电容、薄膜电容或是陶瓷电容。

为减少Buck变换器的输入电流纹波．从而减少对蓄电池的其他负载的影响．这里在输入电容前加入一个约为几微亨的小电感。

3．3 启动及供电回路设计

为了减少体积和提高可靠性．此处电源采用恒流源启动及利用输出进行自供电。如图3所示。VQ1,VD1,VD3,VD4,VD6,R3,R4构成恒流源，在电源启动及短路条件下，由恒流源供辅助电。当电源正常时，由输出24 V经降压后供电，同时切断恒流源回路，减少损耗。

4 实验结果及结论

按上述分析设计样机，开关频率为120 kHz。选择IRFB4227型主开关管和MBR20100CT型续流二极管，输出滤波电感为50μH。在额定负载24 V／13 A的条件下．当输入分别为160 V和28 V时，测得开关管驱动电压Ugs 及漏源极电压Uds波形如图4所示。其中，纹波最大值为70 mv．整机效率在满载、全输入电压范围内最低为89％，最高为93％，在-40~+55℃皆可正常工作，平均无故障时间大于10^5h，且该电路形式简单，可靠性高已在风力发电中的关键场合代替国外电源模块。更多相关电源解决方案请咨询中电华星。