1 引言

風力發電的變槳電機制動系統中需要一種可靠的模塊電源，它要求：① 高效率的蓄電池輸入；②28～160 V超寬輸入直流電壓范圍：③ 高功率密度，輸出為24 V／13 A，體積要求90x64x26 mm。；④高可靠性，適用于海邊等惡劣環境。由于輸入電壓變化范圍很寬(1：6)，最低輸入與輸出電壓差值小(占空比達90％)，且為了保證因變槳電機頻繁起停而導致負載突變時的電源穩定，通常采用兩級變換．電壓輸入較低時先升壓后再進行降壓。但采用兩級變換。必然減少了效率．增大了電源的體積，這與電源要求的高功率密度、高效率不符。

在研發過程中為提高電源效率及可靠性．在超寬范圍輸入電壓的直流穩壓源的設計中．采用高頻高效的單級Buck變換器及有效的控制方式滿足全輸入電壓及全負載范圍內電源的穩定。

2 Buck變換器控制回路設計

2．1 控制方式的確定

一般Buck電路中，較常使用的控制方式為電壓型和峰值電流型。在僅電壓環形成閉環控制的電壓型PWM控制方式中。由于LC濾波器中存在電感 L,導致了180°相移和40 dB／dec的增益衰減,導致電壓模式環路不易穩定。特別是對于電源要求的寬范圍輸入電壓條件。而在輸出電感峰值電流內環和電壓外環的電流模式控制方式中．通過小信號分析，輸出電感可視為一個恒流源，輸出可視為一個電流源給并聯的電容和負載電阻供電，故僅造成90°相移和20 dB／dec的增益衰減． 使得誤差放大器的補償簡化．適應于該輸入電壓和負載大范圍變化的場合。

電源采用峰值電流模式的控制方式。由峰值電流模式控制芯片UC2843構成PWM控制電路圖1示出Buck主電路及控制驅動電路的原理圖。圖中，T1為檢測開關管峰值電流的互感器，它將檢測的開關管峰值電流信號比例縮小，濾波后送入UC2843的電流檢測腳。此外，由于本電源的寬輸入電壓變化。需要占空比變化范圍為15％～90％，而峰值電流模式控制方式在占空比超過50％時會引起環路不穩定，需通過VQ2，R5進行斜坡補償。經過改進后的電流模式控制方式很好地滿足了電源的要求。

2．2 驅動回路、保護電路的設計

根據Buck電路的特點。其功率管門極在導通后參考地的電壓為電源電壓．所以需要對驅動電路進行處理。通常采用變壓器隔離方式進行驅動，但該方式不適合此處占空比變化范圍過寬的場合。如圖1所示， 采用半橋自舉驅動集成電路IR2110，利用其上橋臂的輸出，驅動電流±2 A，自舉電壓可達到500 V。不僅較好地解決了懸浮驅動的問題，而且可靠性高，成本低廉。

此電源安裝在風力發電機上．在變槳頻繁啟停及負載突變過程中．要求電源模塊安全工作，可靠性高，不能損壞。除常規的過溫保護、輸入過／欠壓保護、輸入反接保護(VD1)及輸入／輸出瞬態電壓防護(VD3，VD4 )外，另加入打嗝式保護電路，使其可承受長時間短路狀態．且當短路消失后自動恢復工作。

由于存在峰值電流內環． 電源本身具有限流及短路保護的作用，當負載短路時．流過開關管的電流迅速增大。經過電流互感器采樣后。超過設定值時。UC2842封鎖脈沖輸出．等待下一個周期時再次輸出脈沖。但在長時間短路時，每個周期都有較大的峰值電流脈沖經過開關管，開關管損耗大．易引起雪崩效應導致開關管損壞．故此處利用比較器設計打嗝保護電路，如圖2所示。圖中電路檢測輸出電壓，當小于額定值的1／10時，即認為電路發生短路。然后由可變門限的比較器構成脈沖發生器，輸出低電平時，UC2843的COMP腳拉低，電源關閉輸出。輸出高電平時，電源正常輸出。輸出低電平的時間可由 R7,R12,R13,R14,C4進行確定。

3 輸入、輸出單元設計

3．1 輸出電感及電容的選取

輸出濾波元件不僅決定了電源的穩定性，同時也是DC／DC變換器設計中關鍵部分。輸出電感L作為儲能和濾除紋波的元件需綜合考慮體積、電流脈動大小來選擇，并防止飽和。其表達式為：

濾波電容的選擇需滿足輸出紋波的要求。對于給定的電感電流紋波．在500 kHz以下，輸出紋波由輸出濾波電容及其等效串聯電阻(ESR)確定。通常情況下．輸出電壓紋波主要由交流紋波電流與電容ESR的乘積決定。電感確定后即可得出紋波電流。再根據所需的紋波大小選擇電容，應選擇高頻低阻的電解電容或低ESR貼片陶瓷電容。

3．2 輸入濾波器的選取

除電容的耐壓值要大于電源電容大輸入電壓外．輸入電容的選擇還需要滿足所需的紋波電流，故紋波電流可通過下式進行計算得到：

由上式可知，大紋波電流發生在D=0．5時，此時紋波電流為輸出電流的1/2．于是可根據此值選擇電容。可根據體積要求選擇電解電容、薄膜電容或是陶瓷電容。

為減少Buck變換器的輸入電流紋波．從而減少對蓄電池的其他負載的影響．這里在輸入電容前加入一個約為幾微亨的小電感。

3．3 啟動及供電回路設計

為了減少體積和提高可靠性．此處電源采用恒流源啟動及利用輸出進行自供電。如圖3所示。VQ1,VD1,VD3,VD4,VD6,R3,R4構成恒流源，在電源啟動及短路條件下，由恒流源供輔助電。當電源正常時，由輸出24 V經降壓后供電，同時切斷恒流源回路，減少損耗。

4 實驗結果及結論

按上述分析設計樣機，開關頻率為120 kHz。選擇IRFB4227型主開關管和MBR20100CT型續流二極管，輸出濾波電感為50μH。在額定負載24 V／13 A的條件下．當輸入分別為160 V和28 V時，測得開關管驅動電壓Ugs及漏源極電壓Uds波形如圖4所示。其中，紋波值為70 mv．整機效率在滿載、全輸入電壓范圍內低為89％，高為93％，在-40~+55℃皆可正常工作，平均無故障時間大于10^5h，且該電路形式簡單，可靠性高已在風力發電中的關鍵場合代替國外電源模塊。