（电工理论与新技术专业论文）数字式光伏阵列模拟器的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo f p h o t o v o l t a i ca r r a yi se x p l a i n e df i r s t t h i s t h e s i se v a l u a t e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n df o r e g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n t o fp h o t o v o l t a i c i n d u s t r y i ts u m m a r i z e st h e r e c e n td e v e l o p m e n to f p h o t o v o l t a i ca r r a ya n da n a l y s i si t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b a s i n g o nt h e s e ，t h i sp a p e rs t a t e st h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h e so fd i g i t a l p h o t o v o l t a i ca r r a ys i m u l a t o r ，b e s i d e s ，i ts p e c i f i e s t h e p e r f o r m i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dm a j o rt e c h n o l o g i c a li n d e xo ft h ed i g i t a lp h o t o v o l t a i c a r r a ys i m u l a t o r , w h i c hi sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ra n a l y s e st w os i m i l a rm o d e l sw h i c hc a nb ec a l c u l a t e de a s i l y , b a s i n go nt h ep r e c i s ep h y s i c a lm o d e lo ft h ep h o t o v o l t a i ca r r a y a n d p r o c e s s e ss o f t w a r es i m u l a t i o no nt h e m t h ep a p e rs t u d i e st h ed i g i t i z a t i o n o ft h ea n a l y t i c a lm o d e la c c o r d i n gt ot h ea dc o n v e r s i n gp r e c i s i o no ft h e m c ua n dt h ep r e c i s i o nt h ep w m o u t p u tc o n t r 0 1 b a s i n go nt h ee q u a ls t e p s e a r c h i n gm e t h o da n dt h ei n t e r z o n ed i c h o t o m y , t h i sp a p e rs t u d i e st h e f i x i n go ft h el o a dp o i n ta n dg i v e ss p e c i f i co p e r a t i n gp r o c e s st oi t t h i s p a p e r r e s e a r c h e st h e a p p l i c a t i o n o f d i g i t a l p i dc o n t r o li n d i g i t a l p h o t o v o l t a i ca r r a y a n du s em a t l a bs o f t w a r et oe m u l a t et h ew h o l e s i m u l a t o r , v a l i d a t i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h ef i x i n gl o a dp o i n ta r i t h m e t i c a n dd i 百t a lp i dc o n t r 0 1 i nt h i sd e s i g n ，t h ep o w e rc i r c u i to ft h es i m u l a t o ru s e st h ep h a s e s h i f t e d f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r t h i sp a p e ra n a l y s e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n d m a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h a s e s h i f t e dc i r c u i t , p a r t i c u l a r l ya n a l y s e st h e w o r k i n gs t a t e so ft h ec i r c u i ti nah a l fc i r c l e ，a n dd i s c u s s e st h er e a l i z i n g c o n d i t i o no ft h es o f ts w i t c h t h i sp a p e rd e s i g n sa l lt h ep a r t so ft h ep o w e r c i r c u i ts u c ha st h e i n p u tr e c t i f i e r , t h ep o w e rt r a n s f o r m e r , t h eo u t p u t r e c t i f i e r , t h ei s o l a t ed r i v i n gc i r c u i ti no r d e rt oa c h i e v ea l lt h eg u i d el i n eo f d e s i g n i n g t h i sp a p e ru s e st h e1 6b i tm c ui n f m e o nx c l 6 7a st h em a j o r c o n t r o l l e ro ft h es i m u l a t o rc o n t r o l l i n gc i r c u i t t h i sp a p e ra n a l y s e st h e p e r f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea d v a n t a g e so ft h a tt y p eo fx c l 6 7 ， a n a l y z i n gt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es i n g l ec h i pt or e a l i z et h ef u n c t i o no f d e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n g ，s u c h a st h ed at r a n s f o r m a t i o n ，t h ew a v e 浙江大学硕士学位论文 e n g e n d e r o ft h e p h a s e s h i f t e d p w m t h i s p a p e rs i m u l t a n e o u s l y i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ev o l t a g es a m p l i n ga n dd e t e c t i o nc i r c u i ta n d t h ec u r r e n ts a m p l i n ga n dd e t e c t i o nc i r c u i t t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e s t h ed e v e l o p i n gs o f t w a r e0 fx c l 6 7a n di t scp r o g r a m m i n gl a n g u a g e b e s i d e s ，t h i sp a p e rs t a t e si nd e t mt h er e a l i z a t i o no ft i l es o f t w a r es y s t e m ， i n c l u d i n gt h ep r o g r a m m i n gf l o wo fe a c hb l o c k , w h a ti sm o r e ，t h i sp a p e r a n a l y s e st h ei d i o g r a p h i cp r o g r a m m i n g o ft h ed i g i t a lf i l t e r t h i sp a p e rf i n a u yg i v e st h es t e a d yo u t p u tw a v eo ft h es y s t e mw h e n w o r k i n gi nt h el o a dp o i n tu n d e rt h ec l o s e dl o o p e x p e r i m e n t sp r o v e t h a t t h ed i g i t a lp h o t o v o l t a i ca r r a ys i m u l a t o rc o u l dr e a l i z et h es i m u l a t i o no ft h e o u t p u to ft h et r u ed i g i t a lp h o t o v o l t a i ca r r a y k e y w o r d s ：d i g i t a lp h o t o v o l t a i ca r r a ys i m u l a t o r ； p h a s e - s h i f t e df u l l b r i d g ec o n v e r t e r ；x c l 6 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光伏发电背景介绍 1 1 1 光伏发电的原理【1 】【2 1 第一章绪论 光伏发电指通过光伏电池中半导体p - n 节的光生伏特效应，直接将光能转化 为电能。实现光伏发电的器件基础是光伏电池，光伏电池经过一定的串并联，形 成光伏阵列，从而能够提供较大的输出功率，用于并网发电或户用设备。 光伏发电的工作原理是：当太阳光照射到半导体表面时，半导体内部n 区 和p 区中原子的价电子吸收了光辐射，从而具有了穿越禁带的能量，脱离了共价 键的束缚，从价带激发到导带，在半导体内部产生出很多处于非平衡状态的电子 空穴对，即载流子。光激发载流子中的少数载流子运动到p n 结附近，通过p n 结对少数载流子的牵引作用而飘移到对方区域，对外形成与p n 结势垒电场相反 的光生电场。当外电路接通时，即可对外做功。太阳能电池单体理想模型如图 1 - 1 所示： ， 卜 l f f 气如。沁i j 图1 1 太阳能电池单体理想模型 图中，o 是光生电流；，口为暗电流，表示光伏电池的尸一n 结自身在外电 压的作用下流过的扩散电流；r p 为等效并联电阻，形成的原因主要是漏电流所 对应的p 一结漏泄电阻；r 为等效串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、 电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻形成。 1 1 2 光伏电池的外特性叫口l 响日踟 光伏电池的外特性主要包括光谱响应特性、温度特性、光照特性和负载特性。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 光谱响应是指当各种波长以一定等量的辐射光子柬入射到光伏电池上，所产 生的短路电流与其中最大短路电流相比较，按波长的分布求其比值变化曲线即为 相对光谱响应。 光伏电池工作环境的温度和光线辐射使得电池产生的温升对光伏电池的光 电特性会产生影响。光伏电池内部材料的很多参数都会随着温度的变化发生明显 的改变，反映到宏观上，就是光伏电池的电特性会随着环境温度和光照强度而改 变，即温度特性。 光伏电池短路电流、开路电压和温度、光照的关系如图1 2 和图1 3 所示。 图1 2 光伏电池短路电流和温度、光照的关系 通过图1 - 2 和1 - 3 可以看到，短路电流k 强烈地随着光照强度s 变化，而开 路电压仅仅非常微弱地随着光照强度s 的变化而略有变化，可以表示为： k “l “s( 1 - 1 ) u 0a c 【，_ i n s( 1 2 ) 其中，l 和【，分别是最大功率点的电流和电压 设最大效率点的能量转换效率为仇。则： “学t i n s ，( 1 - 3 ) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 光伏电池开路电压和温度、光照的关系 式( 1 3 ) 表明，当光伏阵列工作在最大功率点时，其工作效率与光照强度s 的 对数成正比，s 的变化对仇。的影响较为微弱。 同时，温度的变化对短路电流有微弱的影响。而开路电压则随着温度上升而 线性下降。光伏能量转换效率整个的效率和温度的关系可有下式决定： 卵= 卵0 4 1 一a ( r t o ) 】( 1 4 ) 叩o - - - 0 1 ，r o - - o 摄氏度，口- - 0 0 0 4 9 每当温度升高1 0 摄氏度时，效率降低5 。 1 1 3 光伏发电的现状与展望 能源和环境是当今人类生存与发展所面临的两大难题，光伏发电是目前解决 这两大问题的较好方式。光伏发电所依靠的太阳光照辐射对人类的能源需求来 讲，是取之不尽、用之不竭、价格低廉、获取方便的。太阳能每秒钟到达地面的 能量高达舳万千瓦，如果把地球表面0 1 的太阳能转为电能，转变率5 ，每 年发电量可达5 6 x 1 0 1 2 千瓦小时，相当于目前世界上能耗的4 0 倍啪。我国陆 地面积每年接收的太阳辐射总量在3 3 x 1 0 3 8 4 x 1 0 6k j ( m 2 a ) 之间，相当于 2 4 x 1 0 4 亿吨标准煤，属太阳能资源丰富的国家之一全国总面积2 3 以上地区年 日照时数大于2 0 0 0 h ，日照在5 x 1 0 6k j ( m 2 幻以上1 3 1 国际光伏产品数量与规模在过去1 5 年平均年增长率为1 5 。9 0 年代后期， g搿国画盔隶 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。1 9 9 7 年世界太阳电池光伏组 件生产达1 2 2 m w ，比9 6 年增长3 8 ，是4 年前的2 倍，是7 年前3 倍，超出 光伏界专家最乐观的估计。1 9 9 8 年光伏组件生产达到1 5 7 4 m w ，比1 9 9 7 年增长 2 9 ，光伏发电总装机容量达到8 0 0 m w 。据估计，目前世界太阳电池组件市场的 价值已达6 亿美元以上，而整个光电系统市场的价值为1 5 亿美元4 。 预测今后1 0 年光伏组件的生产将以2 0 3 0 甚至更高的递增速度发展。到 2 0 1 0 年光电组件总销售量将达到0 8 1 0 g w p ( 1 0 0 0 m w p ) 皓1 。预测本世纪中叶， 光伏发电量将占世界总发电量的1 5 2 0 ，光伏发电将成为重要发电技术之 1 2 光伏阵列模拟器介绍 1 2 1 光伏阵列模拟器的作用 在用户对光伏系统进行调试时，如果使用真实光伏阵列进行现场操作，会有 如下的问题：安装不方便，耗费人力物力；无法在短时间内模拟出各种环境因素 ( 主要是光照强度和环境温度) 下光伏阵列的输出情况，从而无法得知整个系统 在全天候各种气象条件下的运行状况。因此，就需要一种装置，可以模拟光伏阵 列在各种环境条件下的工作情况，从而使用在各种安装调试光伏户用系统的场 合。这种装置，就是光伏阵列模拟器。 1 2 2 光伏阵列模拟器的主要分类和特点 现有的光伏阵列模拟器主要分为模拟式和数字式两种。模拟式光伏阵列模拟 器一般由可控光源、温控设备、样品光伏电池和电流放大装置构成，通过调节光 源的光照强度和工作温度，模拟自然条件下光伏电池的工作环境。用户通过检测 经过放大的光生电流来模拟真实光伏阵列的输出特性嘲。这种模拟器的缺点主要 有：人造光源难以在光的频谱构成、入射角度等方面模拟太阳光；装置内的温度 难以精确控制；功率过小等【1 ”。 数字式光伏阵列模拟器使用计算机或单片机，d s p 作为控制部分，将光伏阵 列在各种环境条件下的输出曲线存储在内部；使用高频开关电源模拟光伏阵列的 功率输出。当模拟器与负载连接工作时，系统控制电源输出电压变化，寻找负载 在光伏阵列输出曲线上的工作点。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本文研制的模拟器介绍 本文研制的数字式光伏阵列模拟器使用i n f i n e o n 公司的高性能1 6 位单片机 x c l 6 7 c i 作为主控单元，移相全桥电路作为功率电路，利用以逐点差值比较法 为核心的寻找负载工作点的算法，通过数字p i 控制，使模拟器的输出特性近似 满足光伏阵列输出曲线。本文研制的数字式光伏阵列模拟器能够为光伏设备用户 调试、安装设备提供便利条件，也适用于光伏利用相关的科研领域。 本文研制的数字式光伏阵列模拟器对负载工作点的寻找和确定采用经过优 化的逐点差值比较法，能够通过较少的比较次数，准确地确定负载工作点。数字 p i 控制能够将输出电压快速地稳定在光伏曲线上的负载工作点上。移相全桥电 路作为功率电路，适合在较大功率范围内使用，系统效率较高，能够很好地模拟 短路工作点和开路工作点区域的光伏阵列输出特性。 本文研制的模拟器适合模拟各种光照强度和温度下，任意组合的光伏阵列的 输出特性，实现对系统在线工作与在线调试的完全逼真的模拟。主要参数如下： 最大输出电压6 0 v ，最大输出电流5 a ，最大输出功率3 0 0 w ；电压调节精 度0 3 v 。 1 4 研究内容介绍 本文在第一章分析现今光伏产业的发展趋势，对光伏阵列模拟器的迫切需 求，模拟器的主要技术分类和其优缺点。 第二章深入分析了光伏阵列的物理数学模型，用m a t l a b 对精确模型进行了 仿真。并分析了两种适合于计算的近似模型，并对解析数学模型的数字化问题进 行了讨论。本文研究了基于等步长搜索法和区间二分法的负载工作点确定算法， 给出了详细运算过程。本文对数字p i d 控制在数字式光伏阵列模拟器中的应用进 行了研究，并且使用m a t l a b 对整个模拟器进行了仿真，验证了负载工作点确定 算法和数字p i d 控制的正确性。 第三章分析了移相全桥电路的工作原理和主要特点，详细分析了电路在半 个工作周期中工作状态，并且对软开关的实现条件进行了探讨。本文对功率电路 各个部分进行了精心设计，包括输入整流和逆变桥、功率变压器、输出整流和滤 波电路、隔离驱动电路，使得功率电路能够达到设计所要求的各项指标。 第四章分析了x c l 6 7 c 1 单片机的性能特点和优势，分析了通过该单片机的 外设单元实现模数转换、移相p w m 波形生成等检测和控制功能的硬件实现方 式，本文同时介绍了电压采样调理电路和电流采样调理电路的设计。软件方面， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 简要介绍了x c l 6 7 的开发软件和相应的c 语言扩展，较为详细地论述了软件系 统的具体实现，包括各个模块的程序流程，重点分析了数字滤波的编程实现。 第五章给出了在闭环下，系统工作在负载工作点时的稳态输出波形通过实验 检测，证明了本文研制的数字式光伏阵列模拟器，能够较好地实现对真实光伏阵 列输出特性的模拟。 浙江大学硕士学位论文 第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 2 1 光伏输出曲线数学模型 2 i 1 精确数学模型及其简化形式的介绍 2 1 1 1 理想电路的精确数学模型 第一章给出了光伏电池单体等效电路模型，为了下文论述方便，在这里再次 给出【1 1 。 ， 卜 l x ” f l i l l氰r = jj 图2 - 1 光伏电池单体等效电路模型 根据电路模型，可以写出如下的反映各个参变量关系的方程1 7 】冈f 5 1 1 ： l = i m i o l p ( 2 - 1 ) = k ( 甜s + g ( t 一) ( 2 - 2 ) q ( u + m s ) l = l o e ”一1 】 、 ( 2 3 ) 厶：幽，e f 争扣 ( 2 4 ) j 呵 e t = 1 1 6 - 7 0 2 c x “嘉 ( 2 - 5 ) 式中各参数的物理意义如下： u - 输出电压：j 输出电流；i n f 光生电流；s 一光照强度；q - 电子电量；z 绝对温度；? 一电池温度( 绝对温标) ；毛能带能量；七- 波尔兹曼常数；岛等 效串联内阻；耳一等效并联内阻；痒p 一结曲线参数：j d 0 参考温度下二极管 浙江大学硕士学位论文 第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 反向电流；k - 短路电流；c r 一光生电流温度系数。 【，、，为变量： s 、r 为参量： q 、k 、c r 是己知常量，其值分别为； 霉= 1 6 x 1 0 - 1 ；= 2 7 3 k ；k = 1 3 8 0 6 5 0 5 x 1 0 - 。；c r = 1 6 x 1 0 - 3 砖、万、i d d 、k 是未知常量，通过采集一定数量的电流电压样本数 据，通过最b - - 乘法加以拟合得到i s 3 1 5 2 1 。 2 112 精确数学模型的m a t l a b 模拟 本文根据上文确定的精确模型，通 3 2 立m a t l a b 模拟光伏阵列的输出曲线。 参量设置为：s = 1 0 0 0 w m 2 ，? = 2 9 8 k ，o 已知常量： q = 1 6 x 1 0 - 1 9 ；= 2 7 3 k ；k = 1 3 8 0 6 5 0 5 x 1 0 - 4 ；c r = 1 6 x 1 0 - 3 通过二乘法加以拟合得到的未知常量如下【研p 2 】： 1 1 1 = 9 3 0 4 ，j _ 凸d = 5 3 6 x 1 0 a ，r s = o 8 4 3 f 2 ，r h = 9 3 5 9 q ，k = 3 0 0 a 图2 - 2 根据精确模型使用m a f l a b 模拟得到的光伏阵列输出曲线 浙江大学硕士学位论文 第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 2 1 1 3 几种较为实用的简化模型 上文提到的精确模型，因为包含参数过多，在实际应用中确定参数较为繁琐 不便。因此有必要寻找包含参数较少，且参数较为容易确定的光伏阵列输出特性 简化模型。下面主要探讨两种简化模型： 1 、简化模型1 啪1 7 1 光伏阵列输出特性可以写作如下形式： m = 一如h 笋一1 1 - 警 协6 ， 式中，l p 为流过等效并联电阻的电流，1 0 为p 一反向饱和电流，a 为p 一 结曲线参数，t 为绝对温度，k 为玻尔兹曼常数。 定义以下参数： y = 瓦v 户i i ，毛= i i o 岛= 冬，= 告，咯= 警，a = 去 将它们代入( 2 - 6 ) ，得到以下方程组： ，= r r ( k i - i o e x p c e ( v + f ) 】一1 ) ( 2 - 7 ) f=一三一ioexpia(v+r,i)1ip r s o j 一1 ， ( 2 8 )i 一一1 ，u 。劲 i p 当电路开路时， ，= l i = 0 ；短路时，i = 1 y = 0 。将这两种特殊情况下的取 值代入( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) ，可得： 1 = ，一乇e x p ( a ) + i o 】 ， ( 2 9 ) 1 = i p h f oe x p ( 甜d + o( 2 - 1 0 ) 由以上推导可知，只有三个参数需要独立选择。可以选择珞、，；和口作为独 立参数。和乇可由下式定义： io=型exp(a)-lexp(ars)(2-11ree x p f a ) e x p ( a r s ) 1 渐江大学硕士学位论文 第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 = 1 + i o e x p ( a r , ) 一1 】 ( 2 - 1 2 ) 只要在i - v 曲线上取三个点，就可以确定珞、r p 和口这三个独立参数，通过 它们的值以及，。和的测量值，就可以推导出完整的数学模型。 2 、简化模型2 啪r 力m 1 该简化模型通过最大功率点来确定相关参数 在( 2 6 ) 式中，忽略若项，设= a c 碍蜀k = 厶，毛= ，则： k k 一心诎x “净一1 】 ( 2 - 1 3 ) 可以推导出输出功率p 的表达式： p - 肚 1 喇e x p ( 1 1 ( 2 1 4 ) 在最大功率点，y = k ，= l ，茅= o ，因此 万d p = k 【e x p ( 鼍学) 一l l 一k 2 i s c v e x 嘴】壶呲矽d l 2 。 可得到以下方程： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 在上式中取最大功率点的值，将结果代入( 2 - 1 5 ) ，再除以k ，可得下式： 0 _ 驯“带一警 孵- 1 】( 2 1 7 ) 在开路条件下，当，= o ，矿= 时，可由( 2 - 1 3 ) 解出墨： ( 2 - 1 8 ) 璐 毒m i | 墨 浙江大学硕士学位论文 第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 。2岛+1一c乏+1)i+u劣毛】一；：j要i：；三耋耋 r ，：塑g 2 0 ) 喇面耋诗叱 ，= 上三l 一 ( 2 - 毪丛：l n ( 1 ，+ l 坐- - 士堑 ) ， l n ( 去+ 1 ) 、 o 一专一焉菇基毒1 再协捌 kt 轰i 卜每t 老埘扣乩c 石+ 1 。劫 2 1 2 本文对所采用的数学模型的处理 2 1 2 1 模数转换的量化精度 本文所设计的模拟器输出范围是： 电压：0 - - 6 0 v 电流：吐5 a 因为x c l 6 7 微控制器a d 转换的转换结果为1 0 位二进制数 2 1 1 因此，电 压、电流的控制精度分别为： 浙江大学硕士学位论文第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 等= 器= 5 8 6 m y ， ， 姜：旦：5 8 6 m a z 。l u z 4 本文将光伏阵列实测输出曲线进行数字化处理，行程离散点对，写入i v 表 格文件，存入微控制器的内存中。电压值的量化精度分别为5 8 6 m v ，电流值的 量化精度分别为5 8 6 m a 。 2 1 2 2 光伏阵列输出曲线离散化 以上一节的精确模型为例，电压精确到5 8 6 m v ，电流精确到5 8 6 m a ，使用 m a t l a b 作出离散化后的曲线如下图所示： 螽 蓦 霹 图2 - 3 光伏阵列输出曲线离散点集 可以看到，如果离散点集电压间隔相等，则在开路工作点附近点集较为稀疏。 2 2 寻找负载工作点的算法研究 对于光伏阵列，如果将输出电流写成输出电压的函数，记为j = ，) ；对于 负载，同样将输出电流写成输出电压的函数，记为，= g ) 。寻找负载工作点就 是求解两条函数曲线的交点。问题等价于：设函数 ) = ，) 一g o ，) ，求方程 浙江大学硕士学位论文 第二章光伏阵列模拟器的控制方法研究 i l 彤) = o 的解k 设l = ，) = g ( ) ，则点r ( ，厶) 即为负载工作剧捌。 光伏阵列输出曲线有强烈的非线性，且所带负载也可以是非线性负载，因此， h q ：) - - o 是一个非线性方程，应当通过数值方法求解。 2 2 1 相关算法分析 下面从两个方面对寻找负载工作点的算法加以探讨： 首先是解区间的搜索，其次是数值解的求取。 2 2 1 i 解区间的搜索算法 解区间的搜索是基于这样的思路：对于连续函数而言，如果在某一个区间的 两个端点上，函数值异号，则在此区间上，该函数必定有解。解区间的搜索最为 简单有效的两种方法是等步长搜索法和区问二分法【r n 。 1 等步长搜索法1 以求解厂= o 在区间k ，川上的根为例说明。不妨假设f ( a ) o ，确定正整 数，以气尹为第一次的搜索步长，设： 啪) = ，( 口“争k = 1 , 2 ， ( 2 2 3 ) 若有t ，满足g 。如) 苫( k l + 1 ) 0 ，则f ( x ) = 0 在区问【4 ，6 】上无根。若，p ) 0 ，则说明根在区间，明上；若，瓴) o ，亦即有撮区间为k ，卅= 【! 芸，b l ，则迸一步设 4 + b 五2 而十：广 若厂瓴) 0 ，则说明根在区间【气，6 】上；若f ( x o ) o ：屹 o ： = ( o f d ? )= u d ( 0 f d t ) ( 3 1 ) = 0 ( d r f r )= o ( d t t o 为例) 。电路结构如图3 1 所示，t 1 、1 2 、t 3 、t 4 分 别是四个开关管的控制电压波形，u 。是两个桥臂中点之间电压： u d u d t l n l 1 2 t 4 一 i l 一 u a b ll 一 图3 - 2 单级性p w m 全桥电路 如图中所示，t 1 管一直开通，t 2 管一直关断，1 3 和t 4 两管互补导通。当 t 4 导通时，u 。有输出电压为u d ；当1 3 管导通时，u n 输出为0 如果t 2 管一直导通，t 1 管一直关断，则当1 3 导通时，u 。有输出电压- u d ， 当t 4 管导通时tu n 输出为0 - 而双极性p w m 全桥电路是指在一个开关周期内，输出电压的极性有一次 变化，即： 浙江大学硕士学位论文第三章模拟器功率电路部分的设计 u a s2 匕( o ，q d r l ( 3 - 2 ) = 也( d t 2 弓c v 2 ( 3 - 9 ) 滞后臂实现z v s 较为困难。在滞后臂开关过程中，因为副边的两个整流二 极管d r l 和d r 2 同时开通，副边绕组被短路，滤波电感无法被反射到原边，用 来对相应电容充放电的只是变压器原边漏感和谐振电感。滞后臂要实现z v s ， 应满足下式： 吾t b 磅c 2 ( 3 - 1 0 ) 实际电路设计中，输出滤波电感厶要远大于变压器原边漏感和谐振电感之 和t 。因此，滞后臂实现z v s 比超前臂困难【3 9 1 1 4 0 l 。 滞后臂实现z v s 的较为简单的方法是适当加大谐振电感的电感量，即增大 t 的值，在下文中将详细叙述t 的选取。 浙江大学硕士学位论文第三章模拟器功率电路部分的设计 3 3 各部分电路的设计 3 3 1 保护和输入滤波电路 图3 1 2 保护和输入滤波电路图 交流母线上接入熔断丝，用以保护电路。输入滤波电路由共模扼流环与三个 电容巴，g ，c 组成，这是一个在小功率电力电子装置中常用的e m i 滤波装置， 用来滤除系统中的共模噪声 3 1 oe ，g ，c c 的选取根据公式计算和计算机仿真， 结合商品化的电容规格得到。e ，g 均采用4 7 n f i k v ，c 采用o 1 u f l k v 。 3 3 2 输入整流电路 输入整流滤波电路将输入的交流电转化为可供后级电源使用的直瀛电。该部 分电路主要由全波整流桥和低频滤波储能电容、高频滤波电容构成。电路图如下 所示： 图3 1 3 整流滤波电路图 c 1 为低频滤波储能电容，采用大容量的铝电解电容；c 2 为高频滤波电容， 浙江大学硕士学位论文第三章模拟嚣功率电路部分的设计 主要用于滤除后级全桥电路开关管高频开关动作带来的高频谐波。c 1 容量的计 算过程如下所示： 输入滤波电容的大小根据功率和允许电压脉动值进行选择。电路设计中，整 流滤波后直流电压的脉动值v p 是输入交流电压最大值的1 0 ，则输入交流电压 的有效值为v = 2 2 0 v ，最大值为v m a x = 2 2 0 x1 4 1 4 = 3 1 1 v ，因此脉动量v p = 3 1 1 x 1 0 = 3 1 i v 。整流后的直流电压为最小值为3 1 1 3 1 1 = 2 7 9 9 v 。每半个工频周 期由输入滤波电容向开关电源提供的能量为3 2 ： 1 - 吒= 去c h ( 3 1 1 2 - ( 3 1 1 - 3 1 1 ) z ) ( 3 - 1 1 ) 二 而设全桥电路的效率为，则电路在这段时间内消耗的能量为 ：业罢 ( 3 1 2 ) 二 只为全桥电路的输出功率。 本模拟器消耗的最大功率为只一= i 。4 乙 i s c v o c = 5 a 6 0 v = 3 0 0 w ，因此 可以考虑只取3 0 0 w 。则： 丢( 3 1 1 2 一( 3 1 1 - - 3 1 1 ) 2 ) = p _ _ oo 2 0 2 ( 3 - 1 3 ) 代入叩= 0 9 5 ，解之可得= 3 4 4 u f 。为了降低电解电容的寄生串联电阻 ( e s r ) ，可以用两只4 7 0 u f 的电解电容并联，此时，电压脉动值设为屹，则有： 吾们1 2 - ( 3 1 1 一巧咖= 者 ( 3 1 4 ) 代a c “- - 4 7 0 u f x 2 = 9 4 0 u f ，p o = 3 0 0 w ，r = o 9 5 ，解得，圪= 1 1 0 0 3 v 。即 此时电压脉动量为1 1 0 0 3 v 。值得注意的是，由于电解电容有较大的等效串联电 阻e s r ( 经过测量，在1 0 0 k h z 的工作频率下，4 7 0 u f 4 5 0 v 的电解电容e s r 为 0 8 4 4 欧姆) 和等效串联电感e s l ，变换器在吸收和回馈高频电流时，电解电容 上将产生高频尖蜂电压，因此需要给电解电容并联高频滤波电容，滤去高频尖峰 电压。 浙江大学硕士学位论文第三章模拟器功率电路部分的设计 3 3 3 开关管和并联电容的选择 对于全桥电路，每个管子在关断时承受的电压( 不计开通压降) 为输入电压 v d 。前文已经算出，v d 最大为3 1 1 v 。在开关管开关过程中，因为发生了谐振， 因此存在上冲电压，使得开关管在关断时承受的压降大于v d 。另外考虑到最大 输出电流为5 a ，变压器的变比为4 ：1 ，折合到原边的电流为1 2 5 a 。考虑到充 分的裕度，决定选用场效应管m o s f e t4 1 4 6 0 ，具体型号为s s w 4 n 6 0 b 。主要性 能参数为： 最大工作电流4 0 a ( 结温2 5 摄氏度) 2 5 a ( 结温1 0 0 摄氏度) 最大工作电压6 0 0 v 导通电阻r d s ( o n ) = 2 5 0 门极源极间驱动电压最小值为l = 1 0 v ，最大值为p 盔= 3 0 v 开关管的软开关需要与其并联的电容的配合。该电容选择5 6 0 p f ，l k h z 的瓷 片电容。 3 3 4 功率变压器的设计 3 3 a 1 变压器原副边匝数比的确定 在满足电路性能要求的情况下，功率变压器原副边匝数比应当尽量比较大。 这是基于两方面的考虑：第一，变压器的副边电压应该尽量的小，因为副边电压 过大将使输出整流二极管承受较大的反向压降，加大二极管和其并联缓冲r c 电 路上的损耗，加大二极管的恢复时间。可以通过下式估算变压器副边电压1 2 7 1 k ：整掣 ( 3 1 5 ) “k 删 。i ) 是最大输出电压，为6 0 v ：是输出整流管压降，本设计中采用超快 恢复二极管m u r 8 6 0 ，最大正向压降为1 5 v ； 吃是输出滤波电感上的直流压 降，经实验测算为0 7 v 。 d i 劬嘲为考虑变压器副边占空比丢失现象后副边能够达到的最大占空比， 根据文献介绍和实验测算，为0 8 5 v 。代入上述数值，副边输出电压为： 浙江大学硕士学位论文第三章模拟器功率电路部分的设计 匕：6 0 + 1 5 + 0 7 ：7 3 1 7 6 v ( 3 1 6 ) 。 o 8 5 一 而变压器原边电压由输入的交流电和滤波电容上的电压纹波大小决定，在 电网稳定和设计合适的情况下，不会有显著变化。这就要求有较大的原副边匝数 比。 第二，同时应该尽量减小交压器原边电流，因为开关管开通时有一定的通 态电阻( 4 n 6 0 通态电阻为2 5 f 1 ) ，如果原边电流过大，将加大管子的开通损耗， 不利于整机效率的提高和热设计，甚至会烧掉管子。 而变压器副边电流由输出电流决定。于是，减小原边电流同样只能通过加 大原副边匝数比实现。 如前面的计算结果以输入滤波电容上电压纹波为9 1 3 5 v 计，输入电压的最 小值为圪o 。的= 3 1 1 - 9 1 3 5 = 3 0 1 8 6 5 i ，则原副边的匝数比为 k ：堡盟：巡：4 1 2 ( 3 - 1 7 ) 7 3 1 7 6 取匝数比为4 ：1 。 3 3 4 2 变压器设计 变压器的设计通常有两种方式：面积乘积法( a p 法) 和几何参数法( k g 法) 。本文采用面积乘积法设计变压器，所谓a p ，指的是磁芯窗1 3 面积( 0 ) 和导线窗口面积( 原边为4 副边为4 ) 的乘积锄1 。 首先计算总的视在功率b 4 2 l 。整流二极管m u r 8 6 0 的最大正向压降为1 s v ， 输出滤波电感上的直流压降为0 t v 。交压器的效率设为r - 0 9 8 。 b = 唔+ - ) = 彤+ + 玩弓- i - _ ) = ( 6 0 + 1 5 + 。7 m ( 志+ - ) = 7 5 7 1 7 圈矿 0 1 8 ) 计算a p 值，取1 2 1 民= 0 4 k t = 4 0 昂= 0 3 正= i o o k h z 渐江大学硕士学位论文第三章模拟器功率电路部分的设计 其中，k o 为磁芯的窗口使用系数，表示变压器窗口面积中铜线占有的实际 面积，它由导线截面积、匝数、层数、绝缘漆厚度及线圈纹距等决定。民由下 式确定旧 蜀= s 是是墨 ( 3 - 1 9 ) 墨：赢葛冀塑黑赢( 3 - 2 0 ) 屯2 哥骊两丽霸瓦羽磊面预 屯2 可丽豕丽i 可用窗口面积 屯2 萄丽两广 可用窗口面积 - 。葡飘菲面氟蕊面藏丽 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) k o 主要和线径、绕组数有关，一般取典型值0 4 ；k ，为波形系数，正弦波 为4 4 4 ，方波为4 ；为工作磁感应强度；丘为开关频率。a p 值和视在功率的 关系如下式所示【1 3 】； 一鼯击 式中，k 。为电流密度系数，x 为磁芯常数。查相关文献得，铁氧体c 型磁 心允许温升2 5 摄氏度时，k j = 3 2 3 , x = 一0 1 4 将以上各数值代入上式得l p = 0 4 3 4 4 c m 4 。 加5 0 的裕度，查相关文献得，c l - 4 5 型磁芯的a p 值为0 7 5c 坍，符合 要求。该型磁芯的其它参数为： 舰r ( 平均每匝长度) = 3 9 册，4 ( 磁芯有效截面积) = 0 2 7 c 掰2 ，4 ( 磁芯窗口面积) = 2 刀c 掰2 ， 4 ( 磁心表面积) = 4 4 4 4 c 1 n 2 ，咏磁芯质量) = o 0 2 增 计算原边绕组匝数 ，= i v ，, x 昂1 0 4 4 = 虿岙i 面2 9 万2 矿1 聂0 4 函而= 9 0 ( 3 - 2 5 ) 塑螳里圭兰垡堕皇 苎三兰垦丝墨望皇皇壁塑坌些堡盐 计算原边绕组电流 = 南= 鼍等乩。8 7 a 计算原边电流密度 原边电流密度和a p 值之问有下列关系删； ，= k j 4 ) 。 代入以上各值，得 j = k j ( 句4 )