毕业设计（论文）-太阳能超级电容的实验室用开关电源设计定稿.doc

19 闽南理工学院MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY毕 业 设 计太阳能超级电容的实验室用开关电源设计系 别： 电子与电气工程系 专 业：电子信息工程(电子工程方向) 班 级： 0820311 学 号： 082031124 学生姓名： 指导教师： 职称： 教授 2012年 5月 12日教务处制11MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYGraduation Thesis(Project) of the College UndergraduateSuper capacitor laboratory with solar power switch designDepartment: Electronic and electrical engineeringMajor: Electronic and information engineering Grade: 0820311Students Name: Zhou minghuiStudent No.: 082031124Tutor: Wangjian May, 12太阳能超级电容的实验室用开关电源设计周明辉电子与电气工程系毕业设计原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计是我在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以注明引用的内容外，本设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明，并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日 毕业设计版权使用授权书本设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的规定，同意学院保留并向国家有关部门或资料库送交毕业设计的纸质版和电子版，允许毕业设计进入学院图书馆被查阅和借阅，本人授权闽南理工学院可以将我的毕业设计的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计。 保密 在 年解密后适用本授权书；本设计属于： 不保密。（请在以上相应的方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日 毕业设计答辩小组成员名单姓 名职 称单 位备 注组长太阳能超级电容的实验室用开关电源设计摘 要太阳能的存储是太阳能产品发展的关键，目前主要采用各种电池，但是电池的充电时间长、寿命短以及不环保一直是太阳能产品发展的瓶颈，而超级电容器作为一种充电快、寿命长、绿色环保型储能元件，它给太阳能产品的发展带来了新的活力。近年来,在许多领域种越来越多地应用到开关电源。例如邮电通讯、军事设备、交通设备、仪器设备、工业设备、家用设备等方面。并且开关电源在这些取得显著效益。全球有一定规模的开关电源制造厂商约500多家。开关电源能够如此迅速的发展，最主要的原因还是来源于巨大的市场需求。此外，磁性材料、电子器件、控制理论、变换技术等技术的发展以及仿真软件的不断涌现与完善，使得开关电源的研发水平和制造水平大大提高，由此电源开关具有了高功率密度、高可靠性、高效等特点。这些都极大地推动了开关电源的发展和完善。可以说，开关电源处于电源技术的核心地位，它是在新型功率器件、新型电路拓扑不断出现的条件以及实际需要的推动发展起来的。因此研究开关电源具有很好的科研价值和经济价值。关键词：太阳能；超级电容；开关电源SUPER CAPACITOR LABORATORY WITH SOLAR POWER SWITCH DESIGNABSTRACTIn recent years, in many fields kind of more and more applied to switch power supply. Such as telecommunications, military equipment, transportation equipment, instruments, industrial equipment, household devices, etc. And switching power supply in these made remarkable benefits. Global a sizable switching power supply manufacturer ShangYao many 500. Switching power supply can so the rapid development, the main reason or from the huge market demand. In addition, magnetic materials, electronic device, control theory, such as the development of the technology transformation technology and the simulation software emerging and improved, making the switch power development level and manufacturing level greatly improved, thus the power switch has the high power density, high reliability, high efficiency, etc. These are greatly promote the development and perfection of switch power supply. Can say, switching power supply in the power of technology key position, and it is in the new power devices, new circuit topology appear constantly condition as well as the actual need to push up the development. So the switch power supply has the very good scientific research value and economic value.Key words: Solar energy; Super capacitor; Switch power supply目 录1 绪论11.1 课题背景及目的11.2 国内外研究状况31.2.1 国内外超级电容的发展现状31.2.2 国内外开关电源的研发现状31.3 课题研究方法42 太阳能充电系统研究52.1 最大功率点跟踪52.2 MPPT的硬件设计52.3 软件分析63 超级电容储能电源的设计分析73.1 超级电容器简化模型73.2 储能单元的优化设计83.3 能量约束法93.4 功率约束法93.5 储能模块串并联方案114 高频开关电源DC-DC模块的设计分析124.1 实现的技术原理124.2 DC-DC变换器124.3 采样控制技术134.4 软启动与关闭功能144.5 电路原理图154.6 控制电源和远程监控165 太阳能超级电容开关电源设计175.1 超级电容储能模块的设计175.2 充电电路设计185.3 稳压输出电路195.4 太阳能超级电容开关电源整体设计206 结束语227 参考文献23致 谢24第1章 绪论1.1 课题背景及目的随着经济的发展和社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源已成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。太阳能是一种清洁高效的可再生能源。在阳光充足的白天,屋顶的光伏电池将太阳能转化成电能,供人们在夜晚使用。据专家预测,到2040年,全球的光伏发电量将占世界总发电量的26,2050年后将成为世界能源的支柱。太阳能的存储是太阳能产品发展的关键，目前主要采用各种电池，但是电池的充电时间长、寿命短以及不环保一直是太阳能产品发展的瓶颈，而超级电容器作为一种充电快、寿命长、绿色环保型储能元件，它给太阳能产品的发展带来了新的活力。超级电容物理过程的储能特性，决定了它与电池的结合在太阳能有天然的应用优势，吸收早晚间、阴雨天等电池不能吸收的弱小的不稳定的太阳能。从而让电池里保持更多的电能，从电池寿命维持的特性上来说，保护了电池，延长电池的使用寿命，增强了整个太阳能系统的稳定性，达到了节能环保的目的。超级电容与电池结合使用的原理是，利用超级电容可以吸收弱小电流的特点，在太阳能板产生的电流不够大时，先向超级电容进行充电，然后控制超级电容里的电能稳定地充进电池。通过将电池不能吸收的电能补充到电池里，保证了电池有足够的电能提供给设备使用，从而保证了电池的寿命，达到保证太阳能系统稳定性的目的。使用了超级电容与电池结合的容电复合方案，可以有以下几个优势：1、可以将目前电池只有不到2年的野外使用寿命延长到3年以上。2、可以保证系统的正常工作时间超过原有系统50%以上。3、成本基本上不会有太大的变化。超级电容本身具有以下几个明显优势：1、 大小电流充放电速度快；2、 容量大；（与传统电容相比）；3、 寿命长（免维护）；超级电容器能反复充100万次以上；4、 环保；5、 高低温特性好；（-40度到70度）；6、 整体使用维护成本低；7、 节能，能量转换率高；8、 可吸收弱小电流； 所以，将超级电容作为太阳能设备系统的储能装置，是一个非常不错的选择。超级电容实现了真正的低碳环保，超级电容本身的生产、回收、材料都是环保的。使用超级电容作为太阳能设备系统的储能装置，符合国家的节能减排指示。使用超级电容作为储能器件，可以适当降低太阳能板的使用数量，减少太阳能板的生产能耗。超级电容的能量转换效率高，可以高达90%以上，使太阳能板转换下来的电能得到充分利用。电池的充放电平均效率低于50%。超级电容的温度特性好，在零下20度甚至更低的低温下也可以正常使用，这一特性决定了它能满足中国东西南北巨大的温度差异地域的使用。电池所储能量在温度低于5度时，已经放电困难；当温度低于零下5度，基础上就放不出电能了。使用超级电容作为储能装置的太阳能设备系统，可以不用再去维护储能装置，降低维护、更换电池的费用。超级电容本身的使用年限超过10年，在低温情况下使用还可以超过20年；其充放电次数更是高达100万次以上。这就表明整个太阳能设备系统的储能装置可以终身免维护使用，从而达到降低成本的要求。由于超级电容可以吸收所有的由太阳能板产生的电能，所以不管是早晚间还是阴雨天的弱小电流，都可以被吸收存储起来。充足的电能，保证了整个太阳能设备全天候的正常工作。近年来,在许多领域种越来越多地应用到开关电源。例如邮电通讯、军事设备、交通设备、仪器设备、工业设备、家用设备等方面。并且开关电源在这些取得显著效益。全球有一定规模的开关电源制造厂商约500多家。开关电源能够如此迅速的发展，最主要的原因还是来源于巨大的市场需求。此外，磁性材料、电子器件、控制理论、变换技术等技术的发展以及仿真软件的不断涌现与完善，使得开关电源的研发水平和制造水平大大提高，由此电源开关具有了高功率密度、高可靠性、高效等特点。这些都极大地推动了开关电源的发展和完善。可以说，开关电源处于电源技术的核心地位，它是在新型功率器件、新型电路拓扑不断出现的条件以及实际需要的推动发展起来的。因此研究开关电源具有很好的科研价值和经济价值。1.2 国内外研究状况 1.2.1 国内外超级电容的发展现状 超级电容器的发展始于20世纪60年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。但到了20世纪90年代，由于混合电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并开始迅速发展起来。现今，大功率的超级电容器被视作一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注，如基于双电层电容储能的静止同步补偿器和动态电压补偿器等，国内外的研究和应用正在如火如荼地进行。此外，超级电容器还活跃在电动汽车、消费类电子电源、军事、工业等高峰值功率场合。当前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场。 1.2.2 国内外开关电源的研发现状自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用1。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。国内一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。 目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。1.3 课题研究方法 对于本次论文课题研究，首先确定所要研究的问题，即利用太阳能以及超级电容设计开关电源。通过查阅相关的文献资料，从而正确的地了解所要研究的相关问题。采用高等数学和微积分的方法计算，利用所学电路知识以及相应的仿真软件工具，得出最后更为确切的结论以及设计制定相应的开关电源系统。第2章 太阳能充电系统研究2.1 最大功率点跟踪 最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)系统是一种通过调节电气模块的工作状态,使光伏板能够输出更多电能的电气系统。最大功率点主要受环境温度和太阳光强的影响。在太阳光强不变的情况下,随着温度的升高,光伏电池的开路电压降低,最大输出功率随之降低。当温度不变,太阳光强增加时,光伏电池的开路电压基本不变短路电流大幅增加,最大输出功率大幅增加。由于光伏电池系统受到光强、温度、太阳光入射角等多种因素的影响,其输出电压输出电流和内阻也处于不停变化之中。只有使用DCDC变换器实现负载的动态变化,才能保证光伏电池始终输出最大功率。MPPT需要及时准确地采样蓄电池当前的充电电压和充电电流。两者相乘得到当前的充电功率,与前一时刻的充电功率相比较,调节PWM的占空比,从而使光伏电池始终工作在最大功率点。图1示出具体的控制策略。 A/DC 乘法器控制PWM脉宽比较器当前功率采样电流 记忆功率采样电压 图1 MPPT 控制策略示意图2.2 MPPT的硬件设计由于光伏电池的输出特性呈非线性,且变化幅度较大,所以使用单端反激式变换器。该变换器由升降压变换器加隔离变压器推演而来,能够简单高效地提供直流输出,广泛用于功率100W左右的小型开关电源中。控制器工作于电流断续模式。 图2 MPPT的硬件设计原理 图2 示出MPPT的硬件设计原理。其中,微控制器采用MC68HC08SR12微处理器,使用AD模块采样电源的输出电流和输出电压,继而调节PWM占空比,最终实现光伏电池的最大功率输出。2.3 软件分析由于太阳光强和环境温度的变化是一个缓慢的过程,故参数采样无须高实时性,每隔几秒钟采样一次即可满足要求。产生中断的时间间隔是可以调整的,初期较短,可以迅速逼近最大功率点;后期较长,防止系统在最大功率点附近振荡。为防止系统误判断,每次控制比较,均进行3次,当3次的结果一致时,才实施相应的控制策略,否则重新采样比较,这样便最大限度地保证了系统的正常运行。图3示出实现MPPT的软件流程。 第3章 超级电容储能电源的设计分析3.1 超级电容器简化模型超级电容器实际上是一种复杂的电容网络，每一支路都具有各自的电阻以及相应的特性时间常数。这就导致存储的能量与荷电状态、电压等级、放置时问、甚至放电电流的大小有关。在实际工程应用中，超级电容器简化的等效电路如图4所示. 图4 超级电容器简化的等效电路模型 超级电容器等效为一个理想电容器c与一个较小阻值的电阻(等效串联阻抗，Res）相串联，同时与一个较大阻值的电阻(等效并联阻抗，Rep）相并联的结构。由于Res的存在，充、放电过程中能效不再为1。充放电时电流流经R 会产生能耗并电过程中能效不再为1。充放电时电流流经Res会产生能耗并引起超级电容器发热；在放电过程中由于电阻分压作用而减少放电电压范围，尤其在大电流放电过程中，Res会消耗较大的功率与能量。降低超级电容器的有效储能；Res在超级电容器长时间保持静态储能状态时以静态损耗漏电流的形式表现其影响作用，因此处于储能保持态的超级电容器，为了保持其存储的能量不随时间而缓慢减少，通常要加恒压保持电路，补偿由于Rep而引起的能量损耗。 超级电容器充放电时，通常可以忽略表示静态特性的并联等效电阻Rep的作用。因此，在进行储能单元设计时，如图5所示，超级电容器简化为一个理想电容器与一个阻值较小的电阻Res相串联的模型。 图5 超级电容器恒功率放电等效电路图3.2 储能单元的优化设计图5给出了分析超级电容器充放电等效模型。在充放电过程中，Res对能量消耗以及储能量释放的多少存在影响，其影响的程度与充放电电流的大小有关。超级电容器充电时，电流方向与图5所示方向相反，则超级电容器恒电流Ic充电时的端电压为： Ui(t)=Uc(t)+ResIc=U0+1/C*Ic(t)+ResIc (1) 式中：U0表示超级电容器的初始电压。(1)式表明充电电流越大，电容器端电压上升率越快，Res压降作用越明显，限制了超级电容器实际储备电荷的Uc(t)的电压值，相应，电容器的储能能力下降。因此，在大电流充电到接近超级电容器额定工作电压时，应采用小电流或恒流转恒压充电方式比较适宜，使充电过程结束后的Uc(t)等于超级电容器的额定工作电压。放电时，图5中超级电容器的端电压为： U (t)=Uc(t)一ResIc （2)当Res的压降与超级电容器的端电压的下限之比小于(为一个很小的实数)时，Res的作用可以忽略。 针对小电流放电Res可忽略的情况，超级电容器等效为理想电容器，可采用理想电容的能量公式进行分析、设计。超级电容器大电流放电时，Res上压降较大，当超级电容器输出端电压Ui(t)下降为其下限值时。储能单元停止工作。由式(2)可知，此时超级电容器内部Uc(t)的值还比较大，相当大的能量没有释放出来，这表明Res的存在影响了储能单元的功率输出，降低了有效储能。这种情况下，可采用功率约束法对储能单元进行分析优化。3.3 能量约束法 由于忽略了Res的作用，超级电容器可以等效为理想电容器。超级电容器在使用时，通常要设定一个额定工作电压 Uw，一个最低工作电压Umin ，则超级电容器的储能可表示为： W0=C（U2wU2min） （3） 设定储能单元m支超级电容器串联，n组超级电容器并联，每支超级电容器存储能量均为W0，则储能单元存储的能量Ws满足下式： Ws=m*n*C（U2wU2min） （4）这种情况下，仅用能量约束条件对储能单元提出要求，通过（5）式确定所需的超级电容个数为： m*n=（2Ws）/C（U2wU2min） (5)实际应用中，m*n，m，n均取整数，相当于适当扩容，自然补偿了为简化设计而忽略的Res部分的能耗，此方法简单，实用，易于理解。3.4 功率约束法利用超级电容器放电功率为输出功率与Res上消耗功率之和这一功率平衡关系，推导确定超级电容器储能单元规模、数量的方法。超级电容储能单元的端电压在放电过程中逐渐下降，由于这一点，通常情况下超级电容器并不能直接作为恒压源使 用，如图6所示，储能单元通常附设了工作范围宽的DC/DC变换器，这样即使在放电过程中，超级电容器的端电U1不断下降，也可保持输出电压U0的恒定，同时叉提高了储能单元的储能利用率。 图6 超级电容器恒功率放电示意图假设超级电容器储能单元提供恒功率放电时，系统要求的输出功率为P0，运行时间为f(s)，储能单元由m支超级电容器串联，n组超级电容器并联，理想条件下每支超级电容器提供的功率均为P0/（m*n）。假设储能单元运行到t时刻，此时理想超级电容器的电压下降为Uc(t)，而其输出端电压到达DCDC变换器设定的最低工作电压Umin，则t时刻后，储能单元停止工作。根据功率平衡有下式成立： P0/（m*n）=Umin*Ic（t） （6）式中：Ic（t）为t时刻流过超级电容器的电流。Uc(t)= Umin+Ic（t)*Res=Umin+Res*P0/（m*n）/Umin (7)Uc(t)越小，表明t时刻放电结束后，储能单元剩余的能量越少，储能利用率越高。其中Umin，Res*P0/（m*n）两项在实际应用中均为非负实数，求取算术不等式的极值，仅当Umin=Res*P0/（m*n）时，Uc(t)取值最小，此时 Uc(t)=2Umin （8）则每支超级电容器的最大有效储能为： W0=CU2wU2c(t) （9）超级电容器在放电过程中，电力电子变换器的损耗，Res及导线阻抗的能量消耗，都须由储能单元提供能量，定义超级电容器储能单元的效率为1=1*2，其中，1为电力电子变换器的效率，目前市场上此类产品的效率至少在90以上；2为超级电容器储能模块的效率，在功率放电时随放电电流的增大而将减小，通常取80以上才具有实用意义。 =P0t/（m*n）/W0 （10）由(9)，(10)式求得： =P0t/（m*n）/0.5CU2w-(4Res*P0)/（m*n） (11)考虑到超级电容器单体性能和参数的不均一性，增加一个有效均一系数K1，这一参数的确定与所选电容器的电容偏差率有关，在实际工程中应根据超级电容器的参数手册结合经验选取。式(12)为采用功率约束法时，超级电容器单体个数的计算公式。 （12） 3.5 储能模块串并联方案确定了超级电容器的个数后，考虑模块的串并联组合。储能模块的放电功率为P0，储能模块的电压为mU(t)。电流为nI（t)，每支超级电容器的放电功率为Ps= U(t)x I(t),(13)由上式不难看出。当储能单元的电容器个数确定后每支超级电容器的功率贡献相同；若并联支路增加k倍，则相应的串联支路减小k倍，并不影响每支超级电容器上的电压、电流值的变化。然而组合后的超级电容器模块整体表现电压减小k倍，电流增加k倍。因此，超级电容器模块的串、并联设计，可以从有利于电力电子变换器工作的角度进行优化。输出功率一定时，如果模块串联的电压过高，对于直流变换器的功率开关器件具有较大的电压应力，器件电压等级要提高；如果并联支路较多，相应电压应力降低了，但流过开关管的电流较大，线路阻抗及开关器件的导通损耗都会相应增大。这些设计考虑要结合实际应用，灵活分析确定。第4章 高频开关电源DC-DC模块的设计分析4.1 实现的技术原理高频DC-DC模块的原理框图如图7所示。 框图中，关键部分是开关变换和PWM控制。MCU实现对模块的监测，通信等功能。 图7 高频开关电源DC-DC模块的原理框图4.2 DC-DC变换器DC-DC变换器电路方框图如图8所示。 图8 DC-DC变换器电路方框图采用电压和电流反馈控制，称双环控制技术，既能通过电压反馈控制稳定输出电压:又能通过电流反馈对输出电流过流或输出短路故障实施可靠的保护。 选用德国西门子公司的IGBT1221作为开关元件。IGBT为MOs 和BJT复合的开关管，既有MOs管电压驱动，又有BJT低导通电阻高开关速度的特点，保证了工作的可靠性。变换器采用高性能的隔离式直流电压、电流采样器，提高了电路的抗干扰能力。电压采样采用CSIOMA-PA，电流采样采用CS25-NPAa。4.3 采样控制技术电压和电流采样控制电路如图9所示。 图9 电压和电流采样控制电路 电路中，选用LM358双运放，分别构成电压和电流误差放大器。AI对应于误差电压放大;A2对应于误差电流放大;构成放大器时，在反馈电路采用R, C串联再并联一个电容，可使低频信号有很高的电压增益而高频信号的增益很小，保证了对输出电压和电流的调节控制有很高的灵敏度而对高频干扰有较好的抑制能力。正常工作时，输出电流没有过流，A2输出正电压，二极管4148截止，电流环退出电压环的运行控制，只有A1起作用，当输出采样电压大于设定的参考电压时，A1输出负电压，否则A1输出正电压。 由于A1的输出接到比PWM控制器的脚9，对应于比较器的反相端，所以当输出采样电压大于参考电压时，比较器输出为正电平，PWM锁存器置位，从而使输出驱动为低电平，IGBT关断。当采样电压低于参考电压时，比较器输出低电平，当时钟到来时，PWM锁存器复位，从而使IGBT导通。从中可以看出对输出电压起调节作用，维持其恒定。当过流或输出短路时，Is的取样电压大于A2的参考电压，A2输出低电平，二极管4148导通，电流控制与电压控制共同起作用，只要电流控制作用，SG3525 的片内比较器输出高电平，使PWM锁存器置位，控制IGBT关断，直至输出电流恢复正常或输出短路解除为止。从中可以看出，此控制电路既能稳定输出电压，也能进行过流与短路保护。4.4 软启动与关闭功能在SG3525的脚8到地之间接一个电容，上电时刻，电容两端电压为零，PWM锁存器输出为1，驱动输出低电平，输出关闭。此时电流源对电容充电，电容电压逐浙上升，控制IGBT导通的脉冲宽度随着电容电压增加而增加，从而使输出电压由0逐渐上升，当到达一定压值时，输出电压调节环路起作用，且接到脚8的电容电压上升到一定高度后，退出控制，以此方式实现软启动。接到脚8的电容C的大小决定软启动时间的长短，电容C的容量越大，软启动的时间越长。 过流或输出短路电源关闭控制电路如图10所示。 图10 过流或输出短路电源关闭控制电路 当IS大于设定的参考电压时，比较器LM339141411输出高电压，BJT管Q饱和导通，PWM控制器SG3525的关闭控制引脚10接高电平，封锁PWM驱动输出，IGBT关断，同时软启动电容放电，使PWM锁存器置位，也可以使输出驱动关断。当过流或短路影响排除时，电源重新启动，且是软启动。 4.5 电路原理图电路构成可分成三个模块，如图11所示。 图11 电路构成 主电路详细原理图如图12所示，控制电路原理图如图13所示，低压电源原理为常规电路，在此略去。 图12 主电路原理图 图13 控制电路原理图 4.6 控制电源和远程监控控制电路的电压参考值、电流参考值可采用D/A转换器设定，实现电源程控和远程设定功能。对输出电压、电流、温度采样和传输，实现远程监测功能。第5章 太阳能超级电容开关电源设计5.1 超级电容储能模块的设计由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压，所以单体超级电容的能量为 （14)其中C为超级电容的单体电容量，为单体超级电容充电完成的电压值。超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，需要通过相应的串连并联方法扩容，扩大超级电容的使用范围。而通过相应的DC-DC芯片可以提高超级电容的最低工作电压。假设超级电容以m个串联，n组并联的方式构成。则每个超级电容的能量输出为(14)等式所示。其中，为芯片的最低启动电压。故超级电容阵列的能量总输出为为超级电容的总能量。这里采用SU2400P-0027V-1RA超级电容，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联电阻（ESR（DC）=1m）。为了构成替代12V蓄电池的超级电容模块，我们采用8个2400F/2.7V的电容构成模块，采用4个超级电容单体串联，两组并联的方式构成，如图14所示 图14 超级电容储能模块5.2 充电电路设计我们采用L4970A芯片构成相关的充电电路对超级电容进行充电，如图15所示，该电路可以提供10A的恒流充电电流，其输出电压由电阻R7和R9确定。L4970A是ST公司推出的第二代单片开关稳压器，具有输出电流大，输入电压范围宽，开关频率高等特点，具有很高的充电效率。市电220V通过整流滤波之后输出35V的直流电压，随后通过图5所示电路。如图所示，C1和C2为输入端滤波电容，C3、C4分别为驱动级启动端和Vref端的滤波电容。R1和R2构成复位输入端的电阻分压器，C5为软启动电容，C6为复位延迟电容。C8和R3构成误差放大器的频率补偿网络，C7则用于高频补偿。R4和C9分别为定时电阻和定时电容。C10为自举电容。续流二极管VD采用MBR2080型（20A/80V）的肖特基二极管。C11和R5构成吸收网络，R6为复位输出端的内部晶体管的集电极电阻。C12C14为输出端滤波电容，并联三只相同的220F/40V的电解电容以降低其等效电感。L4970A芯片的输出电压设定为10.8V，其输出电阻R7由下式确定：，其中R9=4.7K，令Uo=10.8V，则R7=5.25K，取标称值5.1K。超级电容的充电的时间根据公式，其中C为超级电容的额定容量，dv为超级电容的电压变化，I为超级电容的充电电流，t为充电时间。故超级电容阵列的充电时间为（充电电流为10A的情况下） （15） 图15 充电电路电路图5.3 稳压输出电路由于代替的蓄电池模块的输出电压为12V，而超级电容的电压为10.8V，且随着超级电容工作不断放电，其两端的电压将不断降低，当超级电容释放储能的50%的能量时, 其端电压将下降到初始电压的70%。因此需要相应的升压控制电路避免由于超级电容阵列电压的降低影响负载的正常运行,提高超级电容储能的利用率。我们采用MAXIM公司的升压型dc/dc芯片MAX668。MAX668具有很宽的输入输出电压范围，它可以将312V的输入电压升高到12V输出，同时，由于其采用了低至100mV的电流检测电压和MAXIM公司特有的空闲模式，转换效率高达90%以上，具有最高1A的电流输出能力，升压电路如图16所示。 图16 稳压输出电路电路图MAX668为固定频率，电流反馈型PWM控制器，内部采用双极型CMOS多输入比较器，可同时处理输出误差信号、电流检测信号和斜率补偿信号，由于省去了传统的误差放大器，从而抑制了由误差放大产生的相移。MAX668能够驱动多种类型的N沟道MOSFET,这里选择的是FDS6680。由于芯片工作在100 kHz 以上的高频状态，所以二极管D1应选取可高速关断的肖基特二极管，这里选择的是MBR5340T3。超级电容以4个串联，2组并联的方式构成。每个超级电容的能量输出为其中，为芯片的最低启动电压。故超级电容阵列的能量总输出为，超级电容阵列的容量为本超级电容替代模块的容量为10Ah，最大输出电流为1A，若要扩大其应用范围只需