單相光伏發(fā)電系統(tǒng)中前級(jí)Boost電路硬件設(shè)計(jì)實(shí)例

本文以單相光伏發(fā)電系統(tǒng)中前級(jí)Boost電路為例對(duì)其進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，Boost電路的硬件電路主要包括能量轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

1、系統(tǒng)指標(biāo)

2、能量轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.1 能量轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖2 能量轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 能量轉(zhuǎn)換電路器件選型

（1）儲(chǔ)能電感L的器件選型（圖2中的L1）

已知Boost電路的輸入輸出電壓關(guān)系：

根據(jù)上式計(jì)算占空比可得：0.625

將系統(tǒng)指標(biāo)中的參數(shù)代入上式可得：

另外，結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)為輸入電壓平均在100V左右，此時(shí)電感所要承受的最大電流為：

綜上所述，考慮到系統(tǒng)的的裕量，電感要適當(dāng)取得大一些，本例中的電感參數(shù)取5mH，其飽和電流參數(shù)取為10A。

圖3 定制鐵硅鋁磁環(huán)電感實(shí)物圖（5mH/10A）

（2）輸出濾波電容C的器件選型（圖2中的C3~C6）

已知輸出濾波電容的選取依據(jù)：

將系統(tǒng)指標(biāo)中的參數(shù)代入上式可得：

由于本例中Boost電路的輸出濾波電容同時(shí)作為系統(tǒng)的母線電容，因此在設(shè)計(jì)時(shí)通常留5~10倍裕量（一般情況下2倍裕量即可）。本例中輸出濾波電容取2000μF，且輸出電容的耐壓必須大于輸出電壓400V。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)使用了8個(gè)1000μF/315V的電解電容，并采用兩個(gè)串聯(lián)為一組，然后四組并聯(lián)，最終得到2000μF/600V的輸出電容。

圖4 牛角型電解電容實(shí)物圖（1000μH/315V）

（3）開關(guān)管VQ的器件選型（圖2中的Q1）

在對(duì)開關(guān)管器件進(jìn)行選型時(shí)應(yīng)考慮器件所能承受的最大電壓和最大電流，另外還需考慮最大開關(guān)頻率等因素。從電路拓?fù)淇梢钥闯?，開關(guān)管所承受的最大電壓即為母線電壓400V。考慮到電路中可能存在尖峰脈沖，需要保留一定的耐壓裕量，因此耐壓參數(shù)設(shè)計(jì)為600V。

從耐流角度分析，輸出的最大電流為：

而開關(guān)管所要承受的最大電流為：

同樣考慮一定的裕量，這里耐流參數(shù)設(shè)計(jì)為50A。

綜合考慮以上兩點(diǎn)因素，開關(guān)管選擇英飛凌公司的絕緣柵雙極型晶體管IKW50N60T，該型號(hào)的IGBT具有600V的耐壓和50A的耐流，并且最大開關(guān)頻率可達(dá)20kHz。

圖5 開關(guān)管IKW50N60T實(shí)物圖（600V/50A）

（4）二極管VD的器件選型（圖2中的D1）

二極管VD所承受的最大電壓也是母線電壓400V，而所承受的最大電流同樣認(rèn)為是20A。Boost電路中的二極管選擇威世公司的快恢復(fù)二極管VS-75EPU12L-N3，該型號(hào)的二極管具有1200V的耐壓和75A的耐流，其反向恢復(fù)時(shí)間最快可達(dá)62ns。

圖6 二極管VS-75EPU12L-N3實(shí)物圖（1200V/75A）

補(bǔ)充：一個(gè)用MATLAB編寫的小工具

圖7 計(jì)算Boost電路儲(chǔ)能器件參數(shù)的工具

3、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

Boost能量轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)管采用IKW50N60T（IGBT管），由于處理器的IO口無法直接驅(qū)動(dòng)IGBT的開關(guān)動(dòng)作，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。M57959L是為驅(qū)動(dòng)IGBT而設(shè)計(jì)的厚膜集成電路，該模塊采用高速光耦隔離輸入，且與TTL電平兼容，可直接與處理器的IO口連接。

驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)由處理器產(chǎn)生，并從M57959L的13號(hào)腳輸入，驅(qū)動(dòng)芯片的8號(hào)腳能夠輸出故障信號(hào)，并通過光耦隔離芯片PC817將故障信號(hào)傳遞給處理器；IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由5號(hào)腳輸出，連接IBGT的G極；其中R3是柵極的限流電阻，需要選取合適的阻值，取值太大影響開關(guān)頻率，取值過小無法起到保護(hù)作用。二極管D2和D3是短路/過載檢測(cè)二極管，而穩(wěn)壓管DZ1則用來補(bǔ)償D2和D3的反向恢復(fù)時(shí)間；穩(wěn)壓管DZ2和DZ3用來對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的進(jìn)行限幅處理，以保護(hù)IGBT的發(fā)射結(jié)。

圖8 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4、信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)電路負(fù)責(zé)對(duì)能量轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將采集到的信息反饋至處理器以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。需要采集的信號(hào)包括輸入直流電壓信號(hào)（最大150V）、輸出直流電壓信號(hào)（最大400V）和輸入直流電流信號(hào)（最大10A）。? ? ? ??

（1）輸入電壓檢測(cè)電路（VSM025A匝數(shù)比n=2.5）

輸入電壓信號(hào)的檢測(cè)電路，如圖9所示。電壓傳感器選擇VSM025A的霍爾傳感器，轉(zhuǎn)換比例n=2.5。首先通過功率電阻R4將待測(cè)大電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，傳感器將該電流信號(hào)按照1:2.5比例進(jìn)行輸出。進(jìn)入調(diào)理電路后先經(jīng)過電阻R5將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)RC一階濾波電路濾除高頻干擾信號(hào)（R6和C16）。然后通過一級(jí)電壓跟隨器來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，最后再經(jīng)過比例運(yùn)算放大電路將電壓信號(hào)調(diào)整到符合處理器輸入要求的范圍內(nèi)，這里采用的LMV358運(yùn)放可以將輸出限制在0~3.3V。圖12中的C17和C18是濾波電容。

待測(cè)電壓信號(hào)為Vdc1，調(diào)理輸出信號(hào)為Vad1，傳感器原副邊的轉(zhuǎn)換比例為n，因此調(diào)理輸出信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的關(guān)系為：

圖9 輸入電壓檢測(cè)電路原理圖?

（2）輸出電壓檢測(cè)電路（VSM025A匝數(shù)比n=2.5）

輸出電壓信號(hào)的檢測(cè)電路如圖10所示，其實(shí)現(xiàn)原理參考輸入電壓檢測(cè)電路，這里不再贅述。待測(cè)電壓信號(hào)為Vdc2，調(diào)理輸出信號(hào)為Vad2，傳感器原副邊的轉(zhuǎn)換比例為n，因此調(diào)理輸出信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的關(guān)系為：

圖10 輸出電壓檢測(cè)電路原理圖?

（3）輸入電流檢測(cè)電路（CSM005A匝數(shù)比n=200）

輸入電流信號(hào)的檢測(cè)電路如圖11所示，實(shí)現(xiàn)原理同樣參考輸入電壓檢測(cè)電路。待測(cè)電流信號(hào)為Idc1，調(diào)理輸出信號(hào)為Vad3，傳感器原副邊的轉(zhuǎn)換比例為n，因此調(diào)理輸出信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的關(guān)系為：

圖11 輸入電流檢測(cè)電路原理圖

5、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)Boost電路進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其能否正常工作。利用STM32產(chǎn)生50%占空比的PWM信號(hào)對(duì)電路的開關(guān)管進(jìn)行控制，給Boost電路加70V的直流電壓作為輸入，并在輸出端接100Ω的電阻作為負(fù)載，通過示波器觀察電路的輸出電壓波形。

圖12 Boost電路功能驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)

（2）實(shí)驗(yàn)波形

如下圖是Boost電路的測(cè)試波形圖，從圖中可以看出開關(guān)管兩端波形的占空比為50%，輸入電壓為70V左右，而輸出電壓為輸入電壓的兩倍，約為140V。測(cè)試結(jié)果與Boost電路的理論基本一致，由此驗(yàn)證了本文對(duì)于Boost硬件電路設(shè)計(jì)的合理性。

圖13 Boost電路測(cè)試輸出波形

審核編輯：湯梓紅