【光伏并网控制的DC-DC模块的设计案例3600字】

致谢XII光伏并网控制的DC-DC模块的设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u18780光伏并网控制的DC-DC模块的设计案例 -1-180341.1升压电路的基本原理 -1-236491.2输入脉冲的控制芯片 -3-317931.3升压模块的设计电路 -5-1.1升压电路的基本原理在直流-直流变换电路中，Boost升压电路是较为常用的升压电路。Boost升压电路是一种功率开关管直流升压电路，它的主要功能是：利用电感的储能特性，使得输出的直流电压比输入的直流电压高，以此来达到升压的目的。Boost升压电路原理图如下所示：图3-1Boost升压电路的电路图电路主要由电感L，三极管V，二极管VD，电容C，负载R组成，在电路左端E处，输入一个直流电压Ui，在电容C的两端输出一个直流电压Uo。其中，电感L，三极管V，二极管VD，电容C组成了一个特定的星形结构，即电流从E处出发，先经过电感L，在三极管V和二极管VD处分路。首先，在电路所有元件都可以正常工作的情况下，假定三极管V断开了较长的的一段时间，此时电容C两端的电压就是输入端E的电压。1.Boost电路的充电过程在Boost电路的充电过程之中，三极管的绝缘栅极得到到高电平，三极管将会导通，开关闭合，三极管的支路相当于一根导线。此时，输入的电流从正极出发，流经电感L,然后从三极管所在支路回到负极，此时电感在储存能量，储存能量的大小和电感的大小有关系。二极管具有单向导通的特性，因此它的作用，就是防止此时电容对电路或者对地放电，因此电容电压仍然是E。2.Boost电路的放电过程在Boost电路的放电过程之中，三极管的绝缘栅极得到0电平或者负电平，三极管将会截止，开关断开。电流从正极出发，流经电感，到二极管，到负载R回到负极。此时，由于电感具有电流保持特性，也就是会阻碍电流的变化，三极管的关闭导致电路的电流产生了变化，电感向外释放能量，从而阻止电流的变化，由于电容被二极管限制了对地放能，电容承接了电感释放的能量，电能两端的电压增大，从原本的E变成大于E的另一直流电压值。升高的大小，取决于电感储存能量的大小。当然，电容也需要有足够的容量来承载这些电能。1.占空比α根据Boost电路的工作原理，我们知道，升压的关键在于把电感储蓄的能量转移到电容里，电感在充电过程储存能量，在放电过程释放能量。而充电和放电的过程，取决于三极管的导通或者关断。三极管的导通或者关断，又取决于三极管绝缘栅极得到的是高电平还是0电平。易知，想要电路正常工作，需要在三极管的绝缘栅极通入一个合适的矩形序列。对于三极管的导通和关断的时间，需要引入占空比的概念。占空比：一个周期内，高电平的时间闭上整个周期的时间。当电路正常工作的时候，在一个周期捏，三极管的导通时间电感储存的能量就等于三极管关断的时间内电感放出的能量，可以得到如下的式子：（3-1）经过整理之后：（3-2）由此，就可以利用占空比，将输入的电压和输出的电压，利用数学的逻辑，表示出二者的关系。也就是，调节通入三极管的绝缘栅极的矩阵序列的占空比，就可以调节输出端的电压的大小。输入的电压Ui和输出的电压Uo的数学逻辑关系如下：（3-3）从而易知，直流-直流变换，就是通过给三极管的绝缘栅极输入一个特定的序列，让这个序列使得三极管按一定的规律通断，改变输出电压的占空比，从而改变输出电压的平均值，以至于达到改变电压的目的。1.2输入脉冲的控制芯片要想要升压电路能够达到想要的效果，则需要对升压电路的开关管的绝缘栅极输入的矩形波进行控制，也就是对矩阵波序列的占空比进行控制。TL494是一种市面上比较常用的脉宽调制集成电路，它拥有固定的频率，常见于全桥式、半桥式的开关电源之中。TL494还具有不同的封装形式，用以满足客户的不同需求。本设计选用TL494对Boost升压电路的三极管绝缘栅极的开关序列做一个处理，使得其升压电路运行稳定且可靠。TL494主要特征：2个误差放大器，2个可以输出PWM波的脉宽调制控制电路，可以定义为过流保护等保护控制或者用做反馈控制；芯片的电压采用5V的直流基压作为直流供电；具有死区时间调节的功能，给死区时间对应的端口通入不同的电压，可以得到不同的死区时间；输出级电流500mA；输出控制可以选择使用半桥、推挽或单端控制；拥有欠压封锁的功能。主要特征的具体分析：振荡器：振荡器用来提供开关器件所必须的控制信号，振荡器的振荡频率取决于外部的RT和CT，RT和CT一般连接在对应的接口和地之间，RT一般取值5-100k，CT一般取值0.001-0.1uF。振荡器会形成锯齿波形，最大频率达到500kHZ。频率计算公式如下：（3-4）PWM比较器：和PWM比较输入端（3脚）以及2个误差放大器的输出端有关系。当给3脚施加一个1.5V的直流电压时，可以使得PWM的占空比达到0，外接RC网络还可以用来对误差放大器做相位补偿。当误差放大器的输出被抬高，死区时间增加，输出降低，死区时间减小。5V的直流基准电压：主要用于给芯片的正常工作提供一个稳定的电压偏置。误差放大器：电路含有两个误差放大器，一个用于过流保护，一个用于电源电压反馈。两个放大器可以同时并入PWM比较器，连入PMW比较器的同相端进行输入。经过反馈和比较之后，在输出端输出，又可以继续和锯齿波比较，则可以进行PWM调节。UC封锁电路：也叫做欠压封锁电路，当芯片电路的电压过低，VCC低于4.9V时，或者内部电源电压低于1.5V时，可能会导致芯片功能出问题，此时CK端自动钳位，输出口被封锁，起到保护电路的作用。输出电路：输出口的工作状态，主要由输出控制脚（13脚）来决定。当13脚接入高电平时，D触发器使得两晶体管轮流导通，可以用于桥式和驱动推挽方式的变换器；当13脚接低电平，利用与门使得D触发器将信号进行反转输出，输出的来年各个晶体管的状态由死区时间控制器以及PWM比较器直接控制，并且两者可以并联使用，实现同步。工作原理图3-2TL494的内部结构图TL494的功率管被与非门控制，只有当触发器接收到的信号为低电平时，功率管才会选中导通。将控制信号从外设电路输入芯片，利用不同的电压，来控制死区的时间。电容上的电压与另两个控制信号进行对比，可以确定脉冲宽度。误差放大器可以实行两个信号的对比，利用PWM脉冲调制可以控制出输出的脉冲宽度。直接从TL494芯片的10脚输出来的波形可能会不稳定，或者存在失真等现象，选择一个可以自取的电路进行缓冲可以有效的保证波形的完整性。IR2184是一种常见的功率放大器，常用于信号的采集，波形的自取。其引脚图如下所示：图3-3IR2184芯片引脚图①1脚，为IN，输入脚，一般输入脉冲信号。也就是PWM波信号。②2脚，为SD，芯片使能端，高电平有效，芯片开始工作。③3脚，接地端。控制下半桥。④4脚，为LO，是低一级的门极驱动输出端口。控制下半桥。⑤5脚，为VCC，芯片电压提供口。控制下半桥。⑥6脚，为VS，高一级侧的电源回流口，控制上半桥。⑦7脚，为HO，高一级侧的门极驱动输出口，控制上半桥。⑧8脚，为VB，高一级侧的电源输入口，控制上半桥。当SD为高电平，芯片被选中。此时，若IN口输入高电平，HO就输出高电平，IN输入低电平，HO就输出低电平。也就是说，输入口IN输入的波形，与HO口输出的波形相同。若IN口输入高电平，LO就输出高电平，IN输入低电平，LO就输出低电平。也就是说，输入口IN输入的波形，与LO口输出的波形相反。当SD为低电平时，芯片使能端没有工作信号，芯片不工作。1.3升压模块的设计电路图3-4升压电路原理图光伏阵列产生的直流电压，接在左边的插位JP6上，一般的光伏阵列可以提供给输入端的电压为80V左右，由于需要并入的是市电，因此电压需要升高到340V及以上。开关管的绝缘栅极G接入了一个PWM的脉冲调制序列，这个序列的具体参数由TL494和IR2184组合成的脉冲调制电路提供。图3-5TL494硬件设计部分原理图1/2脚：误差放大器1的同相输入端/反相输入端。在1脚输入从Boost升压电路输出端的取出的用于反馈的电压信号,在2脚输入由单片机进行比较、处理之后，通过数模转换输出的信号GD，以此来控制公共电网的电压和分布式电源的电压相同3脚：反馈口。误差放大器的反馈补偿；4脚：死区时间控制端。给4脚施加一个0～1.5V电压，就可以使输出信号的占空比在49%～0之间变化调整。死区的时间控制，可以用外部连入的CT来决定.5/6脚：TL494内置振荡器的外设定时电容端/电阻端；7脚：GND，接地端8/9脚：晶体管1的集电极/发射极；10/11脚：晶体管2的发射极/集电极；图中，将两个晶体管并联输出，在10脚进行信号的输出。12脚：外置直流电源输入端。13脚：输出方式选择端。推挽方式：采用13脚和14脚连接；并联方式：采用13脚接地。图中采用的就是并联输出的方法，两个晶体管可以讲发射极、集电极分别相连，形成一个复合管，输出一个方波。14脚：基准5V电压。使得芯片可以在有效工作环境内正常工作。15/16脚：误差放大器2的反相输入端/同相输入端。这个电路部分的主要功能，就是将从升压电路输出端取出的反馈电压Vf和从DAC电路发出的经过单片机处理得到的电压信号GD输入进误差放大器里进行比较，反