大连海事大学电气工程及其自动化大型专题设计报告.doc

大型专题设计实践题目：光伏电池升压装置实物仿真设计专业班级：电气2010-2姓名：刘宝谨学号：2220101382指导教师：薛征宇大型专题设计刘宝谨光伏电池升压装置实物仿真设计一、设计目标要求设计一个光伏电池升压装置，对输入电压的要求越低越好，输出电压在12V到15V之间可调。注意系统的效率要高，输出电流尽肯能大。二、方案论证本系统要求实现升压，所以采用简单可行的Boost升压拓扑结果。常用的PWM控制芯片主要有MC34063、UC3843和SG3525。开关器件选用功率型MOSFET。1. PWM控制芯片选择(1) MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。(2) UC3843UC3843是电流型单端输出脉宽调制器，最高开关频率达到500kHz，能直接驱动双极型功率管，管脚少，外围电路简单，性能优良，适用于构成无工频变压器的2050W小功率开关电源。(3) SG3525SG3525输出级采用推挽、双通道输出，占空比050%可调，每一通道的驱动电流最大值可达200mA，灌拉电流峰值可达500mA，可直接驱动功率MOS管，工作频率高达400kHz，具有欠压锁存、过压保护和软启动等功能。多用于逆变器和大功率开关电源的设计。综上论述，考虑到本设计只需要实现升压功能，对PWM控制器的要求很低，为了简化电路设计，采用MC34063作为主控芯片，构成结构简单的Boost升压电路。2.开关器件选择本设计输出电压最高位15V，输出电流也很小，考虑留有足够的裕量后，选择了TK75A06K3型号的MOSFET，这种功率MOS管耐压值60V，最大电流75A，导通电阻仅有4.5毫欧，在满足电压和电流的基础上最大程度的减少功率损耗，提高效率。三、系统设计该升压系统由三部分组成：升压主电路、超低压升压电路和后级逆变电路。升压主电路是该部分最重要的一个环节，在510V的宽范围输入情况下都可以升压到13V给蓄电池充电。当输入电压低于3V时，34063构成的升压主电路不能工作，所以我们又设计了超低压升压电路，进行初级升压。后级逆变电路将光伏电池产生的电能逆变为工频交流电向电网供电。1. 升压主电路该电路是以MC34063为核心构成的Boost升压电路，为了增大电路的输出电流，使用了外部扩展MOS管的方式，设计工作频率50kHz。如图1所示。图1 升压主电路2. 超低压升压电路对于低于3V的输出来说，由于MC34063无法工作，所以直接采用TI公司的TPS61200充电控制芯片进行升压。TPS61200集成了1.3A的开关，在正常工作下支持0.35.5V的输入电压，在欠压锁定引脚直接直接连接到输出电压的情况下，仍可管理低至0.3V的电源电压，该转换器在任何负载情况下均可实现0.5V超低启动电压，工作效率超过90%，足够升压主电路工作。其典型应用如图2所示图2 超低压升压电路3. 后级逆变电路(1) 系统整体框图一个完整的单相并网型光伏发电系统如图3所示，除了主电路以外，还包括电压电流采样调理电路、核心主控芯片、驱动隔离电路、电源模块等。图3 单相并网型光伏逆变系统原理框图(2) 逆变电路设计采用电压源型全桥逆变结构，这种结构虽然存在着上下管直通和驱动电路复杂的缺点，但其适用于大功率场合，目前的技术较为成熟，应用较为普遍。所以设计采用全桥逆变，如图4所示。图4 全桥逆变电路(3) 对前级升压电路的要求光伏发电系统最基本的效能单位是光伏电池，但是单体光伏电池的额定输出电压和电流约为0.45V，20A/cm2，这么小的电压电流很难在实际中大范围应用，因此通常将电池组经过一定的串并联组成光伏阵列，从而将输出电压和电流增大，以此来满足负载所需要的电能。为了提高系统的可靠性，并且实现全天供电的效果，我们采用先将光伏电池产生的电能给蓄电池充电，再将蓄电池串联升压后进行逆变即可。因此我们设计了将光伏电池升压至1315V可调的电源模块，对普通的12V铅酸蓄电池池进行充电。四、测试结果1. 系统测试数据实物制作调试完成后，进行实物测试。结果如下：升压主电路在输入电压为5V10V时，可以稳定输出到1315V可调。输出电流200mA。超低压升压电路在1.05V输入时可以稳定输出5V。电流在500mA左右。总体效果比较理想。2. 实物照片图5 升压主电路图6 超低压升压电路五、设计总结通过两周的大型专题设计，感觉自己在专业知识和动手能力上都有了很大的提高，感慨颇多。以前只是在课堂上学习知识，感觉学的很明白，知识也都很简单。但是在过去的两周里，却发现实际动手做东西的时候根本不是这么回事，实践和理论有着很大的不同。首先在有了方案之后进行电路设计时，虽然电路的拓扑结构很清楚，但是具体到每个原件的取值时却需要大量的理论计算，尤其是电感，需要考虑电感量、磁芯材料、线径、匝数等，并不像课堂上只需要注意电感量就可以了，这是理论和实践的一个很大区别。另外一个非常有感触的就是在做电路板时一定要注意选择合适的器件封装。比如像我选择的TPS61200就是QFN的封装，这种封装在手工焊接时非常困难，很容易出现虚焊的问题。这就提醒我们以后再设计电路的时候对于走线、封装等一些工程制作时的问题也要考虑。最后在系统调试的时候感触也是非常深的，整个系统制作完成后并不是直接就好用了，可能会出现一些意想不到的问题，需要进行系统整