基于Buck型變換器和TL494芯片實(shí)現(xiàn)新型太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)

作者：劉翔，鄭詩(shī)程，蘇建徽，余世杰，沈玉樑

1引言

目前，在各種光伏電站中，普遍采用太陽(yáng)電池來(lái)收集太陽(yáng)能并將它儲(chǔ)存于蓄電池中以便在需要時(shí)再逆變成220V/50Hz交流電供給用戶使用。然而，在利用太陽(yáng)電池對(duì)蓄電池充電的過(guò)程中，由于太陽(yáng)電池輸出特性的非線性，太陽(yáng)電池工作點(diǎn)并不是時(shí)刻處于最大功率點(diǎn)附近，從而造成太陽(yáng)電池能量的浪費(fèi)。本課題所研制的新型太陽(yáng)能充電器根據(jù)太陽(yáng)電池的工作特性——輸出最大功率點(diǎn)處的電壓值在不同日照下基本不變，采用恒壓跟蹤（CVT）方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)電池的最大功率跟蹤，有效地提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也改善了整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。

2系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)的主電路如圖1所示。

由圖1可知，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Buck型變換器，利用脈沖寬度控制芯片TL494的輸出脈沖來(lái)控制主電路功率器件（IGBT）的占空比，以改變對(duì)蓄電池的充電電流，由此實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的恒壓跟蹤，使太陽(yáng)電池的輸出功率接近最大功率。同時(shí)，通過(guò)主電路來(lái)完成對(duì)蓄電池電壓、充電電流和太陽(yáng)電池電壓的采集，以便控制電路實(shí)現(xiàn)各種跟蹤和保護(hù)功能。

3太陽(yáng)電池的工作特性

圖2為太陽(yáng)電池的工作特性曲線圖。由圖可知，太陽(yáng)電池的工作特性為一組非線性曲線，A、B、C、D、E點(diǎn)為不同日照下的最大輸出功率點(diǎn)，并且對(duì)應(yīng)輸出最大功率點(diǎn)處的電壓值在不同日照下基本不變，根據(jù)這一特點(diǎn)，采用恒壓跟蹤方式，利用簡(jiǎn)單的硬件電路基本上就可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的輸出功率為最大；同時(shí)，由圖2又可知，當(dāng)蓄電池過(guò)充時(shí)只要使太陽(yáng)電池工作于開(kāi)路狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)過(guò)充保護(hù)。

4系統(tǒng)的控制原理

4．1系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。

由圖3可知，本系統(tǒng)采用了經(jīng)典控制理論中的雙閉環(huán)控制方式，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定；并且電壓環(huán)又包含了由蓄電池電壓構(gòu)成的電路和太陽(yáng)電池電壓構(gòu)成的電路，兩個(gè)電路分別在電路工作的各個(gè)階段起著相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。

4．2系統(tǒng)的工作過(guò)程分析

在充電階段，蓄電池電壓構(gòu)成的電路不起作用，電壓環(huán)僅由太陽(yáng)電池電壓構(gòu)成的電路組成，此時(shí)，電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定，通過(guò)檢測(cè)主電路中蓄電池的的充電電流和給定電流相比較來(lái)改變TL494的輸出脈沖寬度，使太陽(yáng)電池電壓緊緊跟蹤給定電壓，具體表現(xiàn)為：當(dāng)太陽(yáng)電池電壓大于給定電壓時(shí)，偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后改變給定電流使加到TL494的電流輸入端信號(hào)變大，TL494輸出脈沖寬度增加，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大整形以驅(qū)動(dòng)功率器件，使其導(dǎo)通占空比增加，蓄電池充電電流變大，由圖2可知，太陽(yáng)電池電壓下降，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，太陽(yáng)電池電壓等于給定電壓，電流環(huán)的給定亦為穩(wěn)定值，蓄電池的的充電電流等于給定電流；反之，當(dāng)太陽(yáng)電池電壓小于給定電壓時(shí)，TL494輸出脈沖寬度減小，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大整形以驅(qū)動(dòng)功率器件，使其導(dǎo)通占空比減小，蓄電池充電電流變小，太陽(yáng)電池工作電壓增加，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)太陽(yáng)電池電壓等于給定電壓。

在過(guò)充電階段，兩個(gè)電路均起作用，電壓環(huán)由太陽(yáng)電池電壓構(gòu)成的電路和蓄電池電壓構(gòu)成的電路組成，此時(shí)，蓄電池電壓和給定太陽(yáng)電池工作電壓之和大于太陽(yáng)電池實(shí)際工作電壓，偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后加到TL494的電流輸入端，使TL494輸出脈沖寬度減小，蓄電池充電電流變小，由圖2可知，太陽(yáng)電池實(shí)際工作電壓漸漸增大，直到穩(wěn)態(tài)時(shí)，太陽(yáng)電池工作于開(kāi)路狀態(tài)，蓄電池充電電流為零，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)充保護(hù)。

5脈沖寬度調(diào)制芯片TL494及其應(yīng)用

5．1脈沖寬度調(diào)制芯片TL494的結(jié)構(gòu)

TL494是美國(guó)德州儀器公司的產(chǎn)品，其價(jià)格便宜，容易購(gòu)得，并且在其內(nèi)部同時(shí)解決了電流調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制和最大電流限制，芯片內(nèi)還設(shè)置了一些附加監(jiān)控保護(hù)功能，使得芯片具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的可靠性，用此芯片構(gòu)成的控制系統(tǒng)外接元器件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖4為該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

由圖4可知，TL494由一個(gè)振蕩器、兩個(gè)比較器、兩個(gè)誤差放大器、一個(gè)觸發(fā)器、雙與門和雙或非門、一個(gè)＋5V基準(zhǔn)電壓源、兩個(gè)NPN輸出晶體管等組成。腳6和腳5外接電阻Rt和Ct確定了振蕩器產(chǎn)生鋸齒波的頻率foscfosc=1/（RtCt）

輸出調(diào)制脈沖的寬度是由電容Ct端的正向鋸齒波和腳3、4輸入的兩個(gè)控制信號(hào)綜合比較后確定的。腳13用來(lái)控制輸出模式。腳4為死區(qū)時(shí)間控制端。腳1、腳16和腳2、腳15分別為兩個(gè)誤差放大器的同相和非同相輸入端，可以分別接至給定信號(hào)和反饋信號(hào)，用作電壓和電流調(diào)節(jié)器，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制，或者用作過(guò)流、過(guò)壓、欠壓和過(guò)熱等比較器，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。腳14為基準(zhǔn)電壓端，可為上述調(diào)節(jié)器和比較器提供參考基準(zhǔn)。

5．2TL494的外圍電路組成

TL494的外圍電路組成如圖5所示。

6結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述控制思想研制的充電器，具有過(guò)充、過(guò)流、過(guò)熱等完善的保護(hù)功能；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，系統(tǒng)顯示出了良好的效果，不僅提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也保護(hù)了所使用的蓄電池，在利用綠色能源方面，具有較大的社會(huì)效益。

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