二象限DC-DC变换器光伏发电系统设计

任 娟，杜 坚，王秀娟，张争锋

(①西南石油大学电气信息学院，四川 成都610500；②北京文安科技发展有限公司，北京100083)

0 引言

随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。基于太阳能电池种类的不断增多，光伏发电的投资在很大程度上得到了改善，发电效率得到了大幅度的提高，应用范围和市场规模也逐步扩大，通过对比生物质能、水能和风能等几种常见新能源，太阳能发电具有经济,无污染，转换环节少，可持续等优点。

针对离网型光伏发电系统，设计一种二象限DC-DC变换电路，并与最大功率跟踪电路并联，完成对蓄电池的充放电和升降压电路功能，以降低功率变换器的损耗，提高光伏组件的利用率。

1 光伏发电系统总体设计

离网型光伏发电系统中的半桥式二象限 DC-DC变换器系统整体框架如图1所示，主要实现的功能是：①完成光伏组件与直流蓄电池之间的想到连接，实现二者之间的升、降压功能；②能够对直流蓄电池进行充、放电操作；③能够与最大功率点跟踪(MPPT)电路并联，以降低功率变换器的损耗，提高光伏组件的利用率。

图1 整体框架

此次设计的半桥式二象限 DC-DC变换器的控制流程如图2所示。由图1可知，要实现光伏组件、直流负载及直流蓄电池三者之间的联系，必须先分别对光伏组件的输出电压、输出电流，直流负载的负载电压、负载电流，蓄电池的端电压、蓄电池输出电流信号进行采样和调理，然后比较光伏组件的输出功率与负载功率的大小：若光伏组件输出功率恰好等于负载消耗的功率（=），则系统处于理想工作状态，控制电路控制双向DC-DC变换器关断；若光伏组件输出功率大于负载消耗（＞），则多于的能量将储存在蓄电池中，控制电路控制双向DC-DC变换器运行于Buck模式；若光伏组件输出功率小于负载消耗所需功率（＜），并且满足此时蓄电池的端电压大于该蓄电池的最小电压（＞），要求蓄电池放电补充系统能量，控制电路将控制双向DC-DC变换器运行于Boost模式[1]。

图2 控制流程

2 各级电路设计

2.1 二象限DC-DC变换器主电路

变换器两侧电源分别是光伏组件（PV Array）及直流蓄电池，由于光伏发电系统中直流变换器应具有保护系统中光伏组件的功能，因此在光伏组件输入端接一个防反充二极管，作用是防止蓄电池放电时电能反向流动，对光伏组件进行反充电操作，造成光伏组件的损坏[3]。离网型光伏发电系统二象限DC-DC变换器主电路图如图3所示。

图3 二象限DC-DC变换器主电路

二象限DC-DC变换器与最大功率点跟踪（MPPT）电路并联，开关管的PWM驱动信号由MPPT电路输出，当光伏组件输出的电能多于负载所需的能量时，剩余能量将对直流蓄电池充电，此时变换器应处于Buck工作模式，运行于第一象限；当光伏组件输出的电能少于负载所需的能量时，要求直流蓄电池放电，以补充系统中所缺少的那部分能量，此时变换器应处于Boost工作模式，运行于第二象限。

2.2 功率MOSFET驱动电路

以TLP250芯片为中心的MOSFET驱动电路如图4所示。

图4 MOSFET驱动电路

TLP250的管脚6输出信号要送到MOSFET的栅极，需要经过一个栅极驱动电阻R1，该电阻的作用是抑制栅极引线寄生电感产生的振荡，同时该电阻也是MOSFET输入电容的充、放电回路。其值大小应适中，如果选择过大，则必然造成开关速度的降低；如果选择过小，则起不到抑制寄生振荡的作用。根据经验，一般选择120R= Ω此外，图中电阻R2、电容C2和5 V的稳压管D1共同构成了栅源负偏压电路，负值-5 V。为提高MOSFET的耐压和抗干扰能力，在栅源极间并联了一只10kΩ的电阻R3。同时为了防止栅源过电压造成栅源氧化层击穿，以至MOSFET永久损坏，在栅源极间并联了一个20 V的齐纳二极管。

2.3 信号采样及调理电路

在控制电路中，对光伏组件输出电压、输出电流和蓄电池端电压、充电电流的信号采集、调整，直接影响到PWM控制波形的产生，因此，专门的采样调理电路在控制电路是非常重要的。在此采用霍尔传感器来完成电压、电流的采样，霍尔传感器输出端紧连一个电压跟随器，其电路形式如图5所示。

图5 采样及调整电路

3 仿真及调试

调试时使用 DJK20挂件来输出控制 MOSFET的PWM信号，调整PWM占空比为0.3。C1和 C2为470 µF，图6中模块设置情况为：电源侧 V1= 4 0V 为直流电压源，V2= 1 2V 为直流蓄电池，功率MOSFET管的开关频率50 kHz，占空比为0.3，的开关频率50 kHz，占空比为0.7，储能电感 Lf= 0 .16mH 。

图6 仿真结果

降压仿真时，设置电压源 V1= 4 0V 处于工作状态，而蓄电池 V2关断，加入PWM波控制两个MOSFET，此时的输入电压与输出电压的仿真波形如图6（a），由图中的波形可见开始时，输出电压 V2有一定的振荡，但振荡持续的时间不长，随后 V2波形稳定，大小为12 V。这就验证了主电路能够实现降压功能。

同理，升压仿真时，设置电压源 V1关断，而蓄电池V2= 1 2V 处于放电状态，加入 PWM波控制两个MOSFET，此时的输入电压与输出电压的仿真波形如图6（b），由图中的波形可见开始时，输出电压 V1有一定的振荡，但振荡持续的时间不长，随后1V波形稳定，大小为40 V。这就验证了主电路能够实现升压功能[5]。

通过上述的仿真分析，不难看出设计的这种二象限DC-DC变换器的确实能够实现电路的升、降压功能。由于开始时计算的电路滤波电容过小导致实物安装时的调试结果没有达到理想的效果。

利用实验定DJK20输出的PWM波形对MOSFET驱动电路的验证波形如图7所示。

图7 驱动电路的PWM

整个电压跟随器是以LM358集成运放为核心，在信号处理电路中它的作用主要在于保持采样信号原样输出，利用输入电压跟随器输入阻抗远大于输出阻抗的特点来隔离采样电路与主控芯片，电路缓冲。在其输出端同样加设了一个3.3 V的稳压二极管，以此来保证输入 TMS320LF2407DSP的电压不会超过其允许值。图8显示了此电压跟随器的波形调试结果。

图8 电压跟随器调试波形

4 结语

设计出了一种二象限DC-DC变换器，该变换器能够实现光伏中对能量的双向流动，完成对蓄电池的充、放电和升、降压电路功能。以TMS320LF2407DSP为主控芯片，根据控制电路各个部分的不同的作用，分模块完成了整个控制电路的详细设计。

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