（电路与系统专业论文）基于固定电压法的太阳能电池mppt控制芯片.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 作为一种无污染的可再生能源，太阳能的应用前景广阔，因此，能直接将 太阳能转换为电能的光伏发电技术受到了高度重视。但由于太阳电池的转换效 率较低，光伏发电系统的成本成为其推广应用的瓶颈。最大功率点跟踪技术 ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 用以在变化的外界环境条件下保证 太阳电池实现最大功率输出，提高光伏发电系统的效率。 论文在深入研究太阳电池特性和光伏发电系统构成基础上，基于m p p t 算 法中的固定电压法，提出一种太阳电池最大功率点跟踪控制芯片的设计。控制 芯片的输入为太阳电池组件，输出为蓄电池，采用模拟电路集成实现，其优势 在于以简单的电路实现m p p t 功能，从而降低芯片的功耗与面积，提高了芯片 的通用性。 论文内容主要分为三大部分：第一部分为理论研究，在此通过对太阳电池 特性研究，确定了固定电压法作为本论文的最大功率点跟踪的研究对象；还通 过固定电压法的效率分析，证实了固定电压法的可行性。第二部分为电路设计 部分，包括系统级与电路级设计。系统级设计中给出了论文所采用的特殊的系 统结构稳定性分析方法，成功设计出系统的补偿电路，通过仿真证明了系统的 稳定性；电路级设计中则以典型的电路结构实现了芯片的各个功能模块。第三 部分为芯片的仿真与测试验证，芯片仿真中构建了太阳能电池的电路模型，为 光伏发电系统的仿真奠定了基础。芯片测试结果证明了预期的芯片性能已基本 实现。 本论文中的控制芯片在1 5p mb c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) 工艺下设计 实现。仿真验证和芯片测试结果表明，在该芯片控制下，太阳电池供电系统能 实时跟踪电池的最大功率点，具有低功耗、低成本、高稳定性的特点，可实际 应用于小功率发电系统。 关键词：光伏电池最大功率点固定电压法模拟m p p t 控制电路 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san o n p o l l u t i n gr e n e w a b l ee n e r g y , s o l a re n e r g yh a sb r o a dp r o s p e c t sf o r a p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h c a n d i r e c t l yc o n v e r ts o l a re n e r g yt oe l e c t r i c i t y , i sh i g h l yv a l u e d b u tb e c a u s eo ft h el o w e f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l s ，t h ea p p l i c a t i o no fp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi s c o n s t r a i n e db yi t sc o s t i no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c y , t h et e c h n i q u eo f m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) i sw i d e l yu s e dt om a k es u r et h a ts o l a rc e l l s a l w a y so u t p u tm a x i m u mp o w e ru n d e rv a r i o u se n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s b a s e do nt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rc e l l sa n dp h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m , t h i sp a p e rh a ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e dam p p tc h i pw h i c hu s e s c o n s t a n tv o l t a g em e t h o da si t sm p p tm e t h o d t h ec h i pi si m p l e m e n t e db ya n a l o g c i r c u i t sw i t hs o l a rc e l l sa si t si n p u ta n db a t t e r ya si t so u t p u t t h ec o n t e n ti sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r ti st h e o r e t i c a ls t u d y , f r o m w h i c hc o n s t a n tv o l t a g em e t h o di sp r o v e dt ob ef e a s i b l ea n di ss e l e c t e d t h es e c o n d p a r ti sc i r c u i td e s i g n ，w h i c hi n c l u d e ss y s t e md e s i g na n dm o d u l ed e s i g n s y s t e m s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o m p e n s a t i o nc i r c u i td e s i g no ft h ep a r t i c u l a rs y s t e mi nt h i s p a p e ra r ed i s c u s s e di nd e t a i l a n dt r a d i t i o n a ls t r u c t u r e sa r ea d o p t e dt oi m p l e m e n tt h e f u n c t i o nb l o c k s t h et h i r dp a r ti ss i m u l a t i o na n dt e s to ft h ec h i p i ns i m u l a t i o n p r o c e s s ，t h em o d e lo fs o l a rc e l l si sc o n s t r u c t e ds u c c e s s f u l l ya n di tc a i lb ew i d e l y u s e di np h o t o v o l t a i cs y s t e m d e s i g np r o c e s s t h et e s tr e s u l t sc o n f i r mt h a ta l lt h em a i n p e r f o r m a n c e so ft h ec h i pw e r ec o n s i s t e n tw i me x p e c t a t i o n s t h ec h i pw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e di n 1 5 i t mb c dt e c h n o l o g y t h e s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e a lt i m em a x i m u m p o w e rp o i n tc a nb e t r a c k e du n d e rt h ec o n t r o lo ft h ec h i p i th a st h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，l o wc o s ta n dh i g hs t a b i l i t ya n di tc a l lb ep r a c t i c a l l yu s e di ns m a l l p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i c ( p v ) p a n e l s ，m p p ，c o n s t a n tv o l t a g e ，a n a l o gm p p t c o n t r o l l e r l l 独创性声明 本人声明新呈交麴学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取键的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的磷究成果，也不包含为获得堑姿叁堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作考签名：葛西秀签字目期：酚孑年善胃r 匿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿基茎有关保留、使用学位论文的飙定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阕。本入授权邀姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 学位论文作者签名： 葛和务 签字日期：y 年6 足j 日 学位论文作者毕业后去向：工作 工作单位：瑞晟微电子( 苏州) 有限公司 透讯地址：苏囊 工业园区沈潞路4 5 0 号 电话：1 3 5 8 8 8 0 4 2 1 8 邮编：2 1 5 0 2 7 浙江大学硕士学位论文 1 1 光伏发电概述 第1 章绪论 随着社会的发展，石油、煤炭等不可再生资源e j 益减少，寻找新能源成为 当前人类面临的迫切课题。而太阳能作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源 【l 】越来越受到人们的关注。太阳能的应用研究目前的一个重点是光伏发电。所 谓“太阳能光伏发电”( 简称“光伏发电”) 是直接将太阳光转换为电能的一种 发电形式，使用过程不仅清洁、无污染，而且安装维护方便，使用寿命长，可 以实现无人值守，因而近年来应用范围越来越广 2 】o 1 1 1 光伏发电的背景与意义 人阳每时每刻都在向地球发送能量，并且这种能量是取之不尽，用之不竭 的。如果将太阳发射到地球的总辐射功率换算成电功率，可高达1 7 7 x1 0 千瓦， 比目前全世界平均消费电力还要大数亿倍。在中国，太阳能资源较好的地区占 国土面积2 3 以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原，年平均日 照时间在2 2 0 0 小时以上，中国陆地每年接收的太阳辐射量约合2 4 0 0 0 亿吨标准 煤。图1 1 示出了我国太阳能资源的分布【3 】，可见太阳能资源数量巨大，只要 有太阳的存在，能源就将源源不断。 i 6 7 0 0 m 引m 2 幻 5 4 67 m 职m 。a ) 砸4 2 。9 5 4 0 0 阮f ( m 7 射 i v 从而近似得到z2 荔瑟1 百i 。 第四步则是确定外部反馈电路中的各个参数值，即图3 6 中的各个电阻与 电容值。由于增益交越频率设定在l o k h z ，因此在1 0 k h z 处有 i g , o o p l = 去1 | | 吒l = 1 ( 3 m ) 而g “s ) el o k h z 处的幅值为i g 订l = 0 0 6 6 7 5 = - 2 3 5 1 d b ，由式( 4 2 5 ) 可以计算 出 在1 0 k h z 的幅值为l 吒i = 5 9 9 。而g 翻在l o k h z 处的幅值近似等于 呲枷眦= 惫 设置i = 1 七q ，由式( 3 1 8 ) 计算出砭= 5 9 9 k q 。 第一个零点频率设计为g 加) 的两个极点频率的1 10 ，即 = 而1 2 ( 吼) = 1 5 勉 ( 3 1 9 ) 由式( 3 1 6 ) 可以计算出q = 1 8 n f ； 第二个极点设计在增益交越频率的5 倍处，即 形2 = 5 - = 5 0 k h z ( 3 2 0 ) 一2 4 浙江大学硕士学位论文 由式( 3 1 7 ) 计算出勺= 5 3 p f 将计算出的所有电阻与电容值代入式( 4 2 3 ) 口- j 得 吒一可薏装习一丽 2 ， 根据式( 3 1 4 ) 与式( 3 2 1 ) 日- 7 求出系统开环传递函数为 = 丽1 吒嘞= 10 0 1 0 8 s + 1 4 05 7 x l o 一1 1 s 2 + 1 8 x l o - s s2 7 而14 揣1 ( 3 2 2 ) l + 1 0 - 4 s + 1 l o _ o s 2 、 根据式( 3 2 2 ) 可画出g i p 的波特图如图3 7 所示，由图可以看出，增益交越 频率在9 9 k h z ，其相位裕量为7 3 度。满足系统的设计要求【2 引。 1 1 呈 量。 脚 ；i i ： - - - i j ： - ： 0 鼍港。0 d b a? ? j 裂# - 皇惴： 霉* ： ：= 98 9 k 丑k ： ； i w m 啦 _ _ - i h ：h ： o j ： ：蜡= 乏：二：出：一土二- ： _ _ - ： _ r | n l l 一- ： _ - r 洲- 。r r 广n n 。_ 。1 ： - i _ _ _ - ： ：i：! ：! ：! ：! ： 0 1 - 图3 7系统开环传递函数的波特图 3 2 4e a 非理想特性对电路的影响 前- d , 节中式( 3 1 5 ) 的求出是在不考虑e a 非理想特性的情况下得出的，实 际上，电路中所用的误差放大器e a 具有有限开环限益以及多个内部极点，它 们都将对传递函数产生影响。在本节中将量化e a 非理想特性主要是有限开环 增益以及主极点对电路的影响。 首先，对系统中所使用的误差放大器进行频率仿真，得到实际e a 的开环 传递函数如图3 8 所示。由图可以看出，所采用的e a 结构包含两个极点，由 于第二极点频率值远大于带宽，因此可忽略其影响，e a 的等效传递函数可用 一2 5 浙江大学硕士学位论文 一个简单的一阶模型来表征 如：j l4 ：4 w ( 3 2 3 ) j - i - w 其中a d 为e a 的直流增益为8 1 d b ，w 为e a 的第一极点的频率值为8 4 k h z 。 1 a d m5 0 a 1 7 。0 0 0 1 8 d 字鲫0 可 一一2 纾0 a cr e s p o n s e 1 0 0 m1 01 k1 0 0 k1 0 m f r e q ( h z ) 图3 8e a 的开环频率响应 根据式( 3 2 3 ) i 黔效一阶模型等式， 求出结果为 g = 而蒜一1 + ( 1 + g 删( s ) ) 毛 1 肋 5 0 a d 。0 ，朋 1 8 0 零8 0 0 可 一- 2 0 厨 可重新计算图3 6 中电路的传递函数， ：p h o s e ( v f ( v e a o ”) ) 1 0 0 m1 01 k1 0 0 k1 0 m f r e q ( h z ) 图3 9考虑e a 非理想特性的传递函数波特图 ( 3 2 4 ) 式中眈由式( 3 1 5 ) 给出，将实际的各个数值代入到式( 3 2 4 ) d 0 ，可求到 考虑误差放大器的非理想特性后的反馈回路的传递函数。作出此反馈函数的波 特图如图3 9 所示。由图中可以看出，与预想的设计石= 1 5 h z ，石，- o ，f , 2 = 5 0 k h z 相比，新的传递函数的零点值不变，石，增大但仍完全在带宽内，f p 2 减小， 一2 6 浙江大学硕士学位论文 多了一个高频率极点勃。这些影响会导致系统开环传递函数的增益交越频率 变低，相位裕量变差，变化后相位裕量数值为6 0 0 ，由于此数值仍满足电路的 稳定性要求，可忽略本系统中e a 非理想特性的影响。 综上，本章讨论了v m p p t 系统的系统功能级的结构，并对系统进行了稳 定性分析，最终给出了系统的环路补偿结构。在下章中，将由系统级的设计转 向电路级的设计。 一2 7 浙江大学硕士学位论文 第4 章v m p p t 芯片电路设计 本章节将重点讨论v m p p t 控制芯片的内部电路设计。本章分为两个部分， 第一部分总述芯片的内部电路结构；第二部分则分别详细阐述各个功能模块的 电路结构以及性能，并给出模块的仿真结果。本论文中的所有电路模块均采用 c a d e n c es p e c t r e s 仿真。 4 1 芯片电路总述 在图3 2 所示模块的基础之上，添加基准与其它控制模块，构成了v m p p t 控制芯片完整的电路结构图，如图4 1 所示。 图4 1完整的芯片内部结构图 v m p p t 控制芯片包括了带隙基准( r e f e r e n c e ) 、电压调整器( v o l t a g e r e g u l a t o r ) 、欠压锁定( u v l o ) 、采样保持电路( s a m p l e h o l d ) 、时钟发生器( c l o c k g e n e r a t o r ) 、误差放大器( e r r o ra m p l i f i e 0 、p w m 比较器( c o m p a r a t o r ) 、振荡器 ( o s c i l l a t o r ) 、驱动电路( d r i v e r ) 以及逻辑控制共十个模块。其中带隙基准电路用 于产生零温度系数、高p s r r 的基准电压，它为系统中的其它模块提供偏置电 压和偏置电流。电压调整器是利用带隙基准产生的基准电压产生一个具有大输 出电流能力的固定电平5 v ，用于给系统的其它电路模块供电。欠压锁定 ( u v l o ) 的作用是根据外部供电电压来确定芯片是否工作，当供电电压值足 一2 8 浙江大学硕士学位论文 够大时芯片开始工作，当供电电压太低时芯片停止工作。采样保持电路与时钟 发生器共同作用实现b u c k 电路开路时芯片采样开路电压，b u c k 电路闭合时保 持开路电压值作为调整基准。误差放大器是将实际工作电压与调整基准做比较 得到误差信号。p w m 比较器则是将此误差信号与1 0 0 k h z 的三角波信号进行比 较，从而得到合适的占空比信号。振荡器产生频率为1 0 0 k h z 的方波与三角波 信号。驱动电路是介于信号输出与b u c k 电路主开管栅极间的模块，其作用是 提高芯片输出控制信号的电流驱动能力以及电压大小。此外，电路还包含一些 逻辑控制模块，如r s 触发器、与门等。 4 2 模块电路 4 2 1 带隙基准 带隙基准电路用于产生零温度系数、高p s r r 的基准电压，它为系统中的 其它模块提供偏置电压和偏置电流。由于硅的禁带宽度乓随温度上升而下降， 使得二极管的正向电压具有负的温度系数。带隙基准电压正是利用热电压具有 正的温度系数、二极管的正向电压具有负的温度系数这一特点，来得到零温度 系数的基准电压源。带隙基准的电路有很多，本文所采用的电路结构如图4 2 所示。 m p 3 图4 2带隙基准的电路结构图 图中基准电压由处输出，数值为1 2 5 v 。q 3 、q 4 是比例l ：r 的三极管， 一2 9 浙江大学硕士学位论文 r 2 ，r 3 为阻值相等的电阻。由于q 5 的反馈作用，使得q 3 、q 4 有相同的集电 极电压值，因此r 2 、r 3 上的电压降相等，流过两个电阻的电流值相等，即是 流过q 3 、q 4 的电流相等i q 3 = i q 4 ，这里忽略了q 3 的基极电流。电阻r 4 上的电 压值为 k k k 讪岫砷( 笼卜， 从而得到r 4 上的p t a t 电流值为 ，q 3 - 4 小鲁= r 4 厂 似2 ， 因此输出的基准电压值为 = ，+ 珞2 + 珞，= ，+ r 2 + 2 侧= 4 + 巧里斧l i l 尸( 4 3 ) 定义k = 等l n ，由于具有负的温度系数，而玢具有正的温度 系数，通过适当设定k 的值，就可得到一个零温度系数的输出基准电压。 而k 值可通过适当设定电阻r 1 、r 3 、r 4 与比例r 的值来得到。需要注意的事， 虽然具有负的温度系数，但它并非一个与温度完全成线性比例的量。因此 确定的k 值只能得到一定温度条件下的零温度系数的基准电压。当温度变化时， 此基准电压也会随温度而变化。在设计时要考虑到这点，对k 值进行微调，从 而保证在一个温度范围内( 芯片工作温度) ，圪g 变化很小。 图中的q 6 、m p 3 、m p 5 、r 5 作用是产生一个自偏置电流源，其目的是提 高电路对电源噪声的抑制能力。m p l 、q 1 、q 2 、q 7 构成了启动电路，主要原 理如下所述：电路启动时，q 7 导通，q 7 的射极电压为一个约0 7 v ，电路 开始工作；当电路正常工作后q 7 的射极电压为1 2 5 v ，此时q 7 截止，启动电 路不工作。电容c 1 、c 2 为滤波电容，电容c 3 为米勒补偿电容，用于保证系统 稳定【2 1 1 。 带隙基准电压的温度特性如图4 3 所示，当温度变化由4 0 到1 5 0 c 时，电 压的变化量为6 7 m v ，温度系数为2 8 2 p p m c 。线性调整率如图4 4 所示，调 整率为0 1 l m v v 。电源抑制p s r 如图4 5 所示，在低频时其值为8 0 d b ，在开 关频率1 0 0 k h z 上其值为2 4 d b 。 浙江大学硕士学位论文 4 , 2 2 电压调整器 1 2 5 3 d 2 5 l a 1 2 4 9 0 1 2 4 7 0 1 2 4 5 0 l ：v b g d cr e s p o n s e a - 4 0 ，巧1 5 0 1 2 5 0 6 0 1 2 5 0 4 a 、2 5 0 2 0 i 2 5 0 0 0 图4 3 带隙基准电压的温度特性 i i ：a t b g d cr e s p o n s e 9 d a1 1 ，a1 3 o1 5 o 图4 4带隙基准电压的线性调整率 一2 d 刁 、一- 5 0 8 0 a cr e s p o n s e ：d b 2 0 ( v f ( v b 9 ”) ) ： l 。一 1 0 口m1 01 k1 0 0 k1 0 m f r e q ( h z ) 图4 5带隙基准电压的p s r 电压调整器的功能是由1 2 5 v 的带隙基准电压产生5 v 的稳定电压，此电 压具有大的输出电流能力，可用于给芯片的其它电路模块供电。电压调整器的 电路结构如图4 6 所示。 一3 1 浙江大学硕士学位论文 r e g u l a t o r v d d 图4 6电压调整器电路结构 由于运放负反馈的作用，r 2 上的压降始终为1 2 5 v ，令r 2 ( r i + r 2 ) = i 2 5 5 ， 则输出电压保持为5 v 。实际上此电路是一个两级反馈放大器，为输入。第 一级为运算放大器，第二级为源极跟随器。运算放大器采用带米勒补偿的两级 运放结构。源极跟随器根据m 1 管的宽长比w l 的大小向负载传送大电流，即 m 1 具有较大的宽长比。 5 d 1 a 5 d a d 4 9 9 a 4 9 8 d d cr e s p o n s e - 4 f 1 01 5 f l b ：f 1 铂4 9 7 6 0 7 1s l o ! d e ：一2 7 t 1 9 9 “ 5 1 a f l 3 f l 5 1 a f l 2 f l 5 即1 巧 5 d 0 0 a 4 9 9 9 a 图4 75 v 电压的温度特性 i i ：a 1 明 日 ：一 9 a o ”a 1 3 01 5 力 b ：f 1 45 口0 2 1 4 ls l o d e 4 珀11 9 u 图4 85 v 电压的线性调整率 一3 2 浙江大学硕士学位论文 5 明1 5 a 5 阳1 2 a 1 多0 t t l1 0 5 d 0 1 明 5 d o d 9 d d cr e s p o n s e 1 a m2 t i m ad cf) f l ：( 2 t i m5 e 矗0 9 7 ) s l o p e ：一1 2 5 4 6 m 图4 95 v 电压的负载调整率 图4 7 、4 8 、4 9 分别为5 v 电压的温度特性、线性调整率与负载调整率。 由图可得其温度系数为2 8 3 p p m c ，线性调整率为0 4 m v ，当负载电流由l m a 变化到2 0 m a 时，电压变化了0 2 m v 2 2 1 。 4 2 3 欠压锁定( u 二o ) 欠压锁定电路的作用是探测供电电压值，当供电电压足够大时，控制芯片 正常工作；当供电电压过低时，控制芯片停止工作。其电路结构如图4 1 0 所示。 图4 1 0 欠压锁定电路的电路结构图 图中1 2 5 v 电压由带隙基准电路产生，比较器c o m p l 与c o m p 2 均为两级开 环比较器，电阻r 1 、r 2 、r 3 的关系式为 墨兰墨! ：0 1 6 6 墨! ：0 1 3 9 尺l + 尺2 + r 3月l + r 2 + r 3 电路的主要工作过程中下所述：电路启动时，供电电压v d d 开始上升， 当满足条件0 1 3 9 v d d i 2 5 v 即v d d 9 v 时，比较器c o m p l 与c o m p 2 的输出 均为高电平，m 1 截止，m 2 、m 3 导通，u v l oo k 信号为高电平，芯片开始 工作。电路关断时，供电电平v d d 开始下降，满足条件o 1 6 6 v d d - ， 一1 0 m一5 0 口i j0 o5 0 0 u1 f m 6 d 3 0 0 o 7 d 3 ，d 一1 厨 ( a ) 输入失调电压 - ：a 0 5 4 ：u n + 1厶_ ir ：v o u t 旷一。 一 1 9 2 0 u1 9 6 0 u2 0 0 0 u2 0 锄u2 0 鲫u b ：( 2 f 1 1 9 3 9 u2 绷b 1 s l o l e ：一册朗8 1 m 6 ，d 3 0 、一 0 口 6 d 3 d a d - ：, = 0 3 4 ：o a n + ( b ) 上升延时 t r o n s ；e n tr e s p o n s e t ：i 。 7 ：v o u t 一一、 r l 1 9 u2 g j 0 0 u2 纾| u b ：f 2 ，日3 3 7 b u2 6 1 2 b i o d a ：一1 7 5 7 u ( c ) 下降延时 图4 1 7 比较器的输入失调电压 一3 7 浙江大学硕士学位论文 4 2 6 振荡器 在本小节中将介绍产生频率为1 0 0 k h z 的方波与三角波信号的振荡器结构， 其电路结构如图4 1 8 所示。它采用逻辑判断来实现周期性振荡的功能，当电容 c 上的电压高于4 v 时，比较器c m p l 输出为低电平，c m p 2 的输出为高电平，r 端有效，m 1 导通，电容开始放电；当电容c 上的电压值低于0 1 v 时，比较器 c m p l 输出为高电平，c m p 2 输出为低电平，s 端有效，m 1 截止，对电容c 充 电；其它工作状态时，r s 触发器保持原有的工作状态。方波信号由r s 触发器 的q 端引出，三角波信号由电容c 上的电压引出。通过调节电容c 的值和充 电电流值，可实现不同频率与不同占空比的时钟信号。 图4 1 81 0 0 k h z 振荡器的电路结构 本文中产生的信号如图4 1 9 所示，周期为1 0 u s ，频率为1 0 0 k h z ，方波占 空比为1 0 。 6 d ； 3 d a a 7 巧 3 口 一1 d - ：0 5 谚刀 ：a 7 = i厂 r i 一 0 01 0 u2 f l u 5 0 u tl m eisl b ：“8 9 6 6 6 u4 h 5 7 3 m ) s l o p e ：一5 弱6 5 7 图4 1 91 0 0 k h z 方波与三角波信号 4 2 7 驱动电路 驱动电路的作用是提高控制信号的电流驱动能力，与此同时实现控制信号 一3 8 浙江大学硕士学位论文 的电压自举。由于b u c k 电路中的主开关管的漏极信号电压值为2 0 v 左右，高 于芯片的供电电压值，控制信号要实现电压自举。驱动电路的结构如图4 2 0 所 示，图中i n 为芯片原始的控制信号，o u t 为驱动电路输出，v c c 为供电电压， v b 为偏置电压；m i 、d 、l 、c b 眦k 构成了b u c k 电路，便于电路仿真，其中m 1 采用实际功率n 管模型，电容c 为外接自举电容；i n v l 至i n v 5 是逐级放大 的反向器结构，其目的是以最小的延时代价获得最大的电流驱动能力。图4 2 0 中电路的工作过程为，当i n 由低变高时，s w 初始为低电平，m n l 、m n 3 、 m p 2 、m p 4 导通，m n 2 、m n 4 、m p l 、m p 3 截止，r 端为高电平，s 端为低电 平，q 端输出为低电平，经反向器后，o u t 信号始终与v d d 电平一致，此时 功率m 1 开始导通，s w 电平不断上升，由于电容c 上电压不能突变，v d d 电 平也不断上升，因此o u t 信号的电平不断上升，o u t 与s w 之间的电压差始 终为v c c ，功率管m 1 一直导通直至i n 信号发生变化；i n 由高变低的工作过 程则与上述过程正好相反。 图4 2 0 驱动电路的电路结构图 图4 2 1 示出了驱动电路的仿真结果，图( a ) 为驱动电路的输入输出信号，可 以看出，o u t 信号实时跟踪i n 信号的变化，且实现了电压自举。图中o u t 信 号的最高电平为2 9 v 。图( b ) ( c ) 分别为开通延时与关断延时，开通延时为2 9 n s ， 关断延时为1 7 6 n s 。 一3 9 浙江大学硕士学位论文 ，、 ，、 3 a 1 0 1 a 1 2 6 d a a t r a n s i e n tr e s p o n s e f i i - ：0 0 1 6r i 文 5 d u2 0 u3 5 u5 0 u d b ：( 4 1 6 8 9 i , i1 2 )s l o p e ：u n d e f i n e d 3 9 ；1 0 、一 一1 a 1 2 6 ，d d ，d ( a ) 输入输出信号 - ：q 2 2 t r o n s l e n tr e s p o n s e r f 0 0 1 6 1 9 6 0 u2 0 0 肌2 0 4 踟2 0 8 0 u 弼 ；1 0 、一 一1 0 1 2 6 0 a a 2 1 - ：0 2 2 ( b ) 开通延时 t r o n s l e n tr e s p o n s e 、 r l ：0 0 1 6 ( c ) 关断延时 图4 2 1驱动电路的仿真结果 一4 0 浙江大学硕士学位论文 第5 章系统仿真 本章内容主要分为两大部分，第一部分讨论仿真系统的搭建，内容主要包 括了系统中的太阳能电池与蓄电池的电路建模等；第二部分则给出系统的仿真 结果，包括动态响应与稳定性分析。 5 1 太阳能电池与蓄电池建模 由于v m p p t 系统中包括太阳能电池与蓄电池，因此系统仿真前需先建立 二者的电路模型。 5 1 1 太阳能电池建模 在2 2 1 小节中给出了光伏电池的等效电路模型，重画图2 1 如下 b如 琵 上 i z r o 图5 2 2 太阳能电池等效模型 其i v 关系式为 h 掣 - 1 ) _ 警 ， 如2 2 1 小节中分析知在这个等效电路中要用到五个参数，分别为厶 、如、么、 r s 、如，它们并不由太阳能电池产商提供，要通过计算确定其具体值。 首先确定光生电流i p h ，由于r s 远远小于二极管导通电阻，故局商c 。它 与光伏电池的面积和入射光的光照强度成正it ；，并且是温度的函数。根据文献 2 5 1 ，锄可写为如下等式 = k ，化f ( 1 - i f 0 - 6 ) + c t ( 丁一瓦r ) ( 5 2 ) & 耐是日照光强s 为标准光照( 1 0 0 0 w m 2 ) 时的短路电流，c t 为短路电流的 温度系数，s 为光照强度( 单位w m 2 ) ，t 为电池温度( 单位k ) ，f 为标准 一4 1 一 y il，lt 浙江大学硕士学位论文 条件下的温度( 2 9 8 k ，即2 5o c ) 。式中第一项反映了光照强度对光生电流的影 响，第二项反映温度变化对的影响。式( 5 1 ) 中的参数l s c ，陀f 与参数c t 可由太 阳能电池板的产商提供，在本论文的仿真设计时，选取的太阳能板的型号为 b p 3 6 5 ，根据其数据表尽c 矿3 9 9 a ，温度系数臼为2 6 m a k 。 其次确定参数凰、如、厶，、4 ，根据文献【2 6 1 ，可知根据太阳能电池的五个 关系等式，可计算出凰、如、如、彳的值。为了便于表示，将式( 5 1 ) 写为卢f ( 功， 其中厶y 分别是太阳能电池的工作电压。则太阳能电池工作时的五个关系等式 i = i s c = f ( v = 0 ) i = k = f ( v = ) i = 0 = f ( v = ) ( 5 3 ) ( 5 4 ) ( 5 5 ) 蚓d v l 一矿= o (56)v = l ) o j 刃i1 万l 一一r p ( 5 - ) 根据上述等式，可由太阳能电池数据表提供的数据计算出r s 、如、l s a t 、a 。 在仿真过程中，凰、昂可做适当调整，最终调整值为r s = 2 7 m , q 、g p = 1 0 0 k , q 。 根据上述的分析，搭建太阳能电池的电路模型如图5 2 所示。图中用两个 带增益系数的压控电流源分别模拟式( 5 2 ) 中随光照变化的电流源i s c ( s l o o o ) 和 随温度变化的电流源c k t - t , o o 。二极管模型根据所求出的、彳采用v e r i l o g a 语言编写。 ， ： i 广 一 ， ) r 主) ilp r +l 一 o 上一 g 岫2 2 6 m 图5 2 3 太阳能电池仿真模型 一4 2 浙江大学硕士学位论文 对此电路模型进行仿真，得到在标准条件下即t = - 2 5 。c ，光照s = - 1 0 0 0 w m 2 时各基本参数为：开路电压= 2 2 7 v ，短路电流尽c = 4 0 8 a ，最大功率点处功 率尸御p = 6 9 5 w ，最大功率点处电压v u n , a = 1 7 8 5 v ，最大功率点处电流 船闩8 9 a ，基本符合预期要求。 图5 3 与图5 4 分别给出标准光照s = - 1 0 0 0 w m 2 条件下，温度丁从4 0 。c 上 升到1 0 0 。c ( 2 3 3 k 3 7 3 k ) 时的i v 与p v 特性。而图5 5 与图5 6 则分别为室温 t = 2 5 。c 时，光照s 从1 0 0 0 w m 2 变化至5 0 0 w m 2 的i v 与p v 特性。本文所建 立的太阳能光伏电池等效仿真模型的特性与实际光伏电池的特性相当接近，因 此，该模型可用以在c a n d e n c e 公司s p e c t r e 软件的仿真环境下描述光伏电池的 特性，为系统仿真提供可靠的依据。 ：墨茹：嚣曼；：墨夥：器善：嚣：孤曩誊琵：端| ；：。朋 图5 2 4 温度t 在4 0 c 1 0 0 c 范围内变化，光照s = 1 0 0 0 w m 2 下的i - v 特性 图5 2 5 温度7 在4 0 c 1 0 0 * c 范围内变化，光照s = 1 0 0 0 w m 2f 的p - v 特性 一4 3 一 b e 浙江大学硕士学位论文 图5 2 6 室温t = 2 5 。c ，光照s 在1 0 0 0 w m 2 5 0 0 w m 2 范围内变化时的i v 特性 图5 2 7 室温t = - 2 5 。c ，光照s 在1 0 0 0 w m 2 5 0 0 w m 2 范围内变化时的p - v 特性 5 1 2 蓄电池建模 蓄电池的等效电路如图5 7 所示 v - 图5 2 8 蓄电池等效电路模型 一4 4 浙江大学硕士学位论文 昂为理想电压源，为蓄电池的内阻，如代表极板与电解液之间的非线性 电阻，c o 代表平行极板之前的电容。在实际仿真时确定上述各值为e o = 1 2 v ， r = 1 0 m q ，r o - - 2 0 m q ，c o = l p f 。图5 7 中的模型为蓄电池的简化模型，该模型存 在的问题是，上述四个参数值在模型中为常量，而实际上它们是随着充电状态 变化而变化的。尽管如此，图5 7 的模型已经能满足本文中仿真的要求【2 7 l 。 5 2 系统仿真结果 5 2 1 仿真电路 完整的系统仿真电路图如图5 8 所示，其输入为太阳电池板电路模型，输 出蓄电池电路模型，电阻r l 、r 2 、尺3 构成了电阻分压电路，用来缩小输入给芯 片的信号。心、尺7 构成另一分压电路用以监测开关功率管的输出电压，产生低 压保护的输入信号。c 4 为保持电路所需的保持电容，c 5 用于时钟发生器中。r 4 、 足5 、q 、c 3 构成了系统的补偿电路。 图5 8v m p p t 系统应用电路图 本论文的系统仿真主要分为两个部分，第一部分仿真v m p p t 芯片的最大 功率点跟踪能力；第二部分验证系统的稳定性。此外，先说明一点，为节约仿 真时间，仿真时我们将开路采样信号周期从3 5 s 缩短为1 2 0 m s ，开路采样时间 则从1 5 0 m s 减少为1 5 m s ，应指出的是这些变动不会改变电路的性能特点。 一4 5 浙江大学硕士学位论文 5 2 2 最大功率点跟踪特性仿真 图5 9 、5 1 0 展示了v m p p t 芯片的最大功率点跟踪能力。图5 9 是在稳定 光照和温度条件下仿真所