CN103501113A - 一种基于相移谐振控制的光伏***变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于它包括太阳能电池板模块、移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块、蓄电池模块、负载模块、PWM信号触发模块以及相移谐振控制器模块；其控制方法包括：信号采集、处理、预算、调节、输出；其优越性在于：①简单实用，可操作性强；②损耗小，抗噪声能力强，计算时间短；③转换效率都大幅度提高；④工程上易于实现。

Description

一种基于相移谐振控制的光伏***变换器及控制方法

（一）技术领域：

本发明属于电力***光伏发电技术与电力电子技术的交叉领域，特别是一种基于相移谐振控制的光伏***变换器及控制方法。

（二）背景技术：

随着环境污染的加剧以及传统能源的快速消耗，近年来新能源产业备受瞩目，其中光伏发电更是得到了快速发展。光伏发电***属于典型的非线性电力***，***中的光伏变换器是具有非线性特性的电力电子器件，随着科技的不断进步，常规光伏变换器随着开关频率的不断提高，不可避免的就会存在许多缺陷，因此，对于光伏变换器的研究得到了广泛的关注。

目前，光伏发电***中的的DC/DC变换器大多应用于Buck、Boost变换器，但这两种变换器只适用于小功率场合。而移相全桥DC/DC变压器更适用于中大功率场合；移相控制的全桥PWM变换器是比较常见的直直变换器电路拓扑形式之一，通过引入谐振过程，使功率开关管能进行零电压开通和零电压关断，不仅大幅度减小了变换器的尺寸重量、为提高变换器的效率打下了坚实的基础，而且大大降低了***的开关损耗、消除了***的开关噪声、有效减少了***运行过程中的电磁干扰，同时也使变换器的开关频率也得到大幅度的提升。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于相移谐振控制的光伏***变换器及控制方法，它克服了现有技术的不足，是一种控制损耗小，可以消除***的开关噪声，提升了变换器的开关频率，且对运行情况下的光伏***变换器进行控制，提高了光伏***的转换效率的变换器。

本发明的技术方案：一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于它包括太阳能电池板模块、移相全桥ZVZCS PWMDC/DC（移相全桥零电压零电流开关脉冲宽度调制直流变直流电压变换器）变换器模块、蓄电池模块、负载模块、PWM信号触发模块以及相移谐振控制器模块；其中，所述移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块的输入端采集太阳能电池板模块的输出信号以及PWM信号触发器的输出信号，其输出端连接蓄电池模块的输入端和相移谐振控制器模块的输入端；所述蓄电池模块的输出端与负载模块的输入端连接；所述相移谐振控制器的输入端连接移相全桥ZVZCS PWMDC/DC变换器模块的输出端，其输出端与PWM信号触发模块的输入端连接。

所述移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块由电压源Vin、功率开关管G1、功率开关管G2、功率开关管G3、功率开关管G4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、整流二极管DR1、整流二极管DR2、整流二极管DR3、整流二极管DR4、电容C1、电容C3、电容Cb、电容Cf、电感Lf、电感Lr、电感R0、高频变压器xfml2组成；其中，所述功率开关管G1的输出端连接电压源Vin的正极；所述功率开关管G3的输入端连接电压源Vin的负极；所述二极管D1和二极管D3分别与电容C1和电容C3并联，且分别反并联于功率开关管G1和功率开关管G3呈反并联连接；所述功率开关管G1的输入端和功率开关管G3的输出端共同连接电容Cb；所述电容Cb另一端通过电感Lr与高频变压器xfml2连接；所述功率开关管G1的输出端连接功率开关管G2的输出端；所述功率开关管G2的输入端通过二极管D2的输入端与功率开关管G4的输出端连接；所述功率开关管G3的输入端连接二极管D4的负极；所述二极管D4的正极连接功率开关管G4的输入端；所述二极管D2的负极和功率开关管G4的输出端共同连接高频变压器xfml2；所述高频变压器xfml2另一侧的一端分别连接整流二极管DR1的正极和整流二极管DR3的负极，而另一端分别连接整流二极管DR2的正极和整流二极管DR4的负极；所述整流二极管DR1和DR2的负极共同连接电感Lf；所述电感Lf的另一端连接电容Cf与电感R0；所述整流二极管DR3和DR4的正极共同连接电容Cf与电感R0的另一端；电容Cf与电感R0并联。

所述相移谐振控制器模块由数据采样单元、A/D转换单元、主控制器单元、数据存储器单元以及控制信号发生器单元组成；其中，所述数据采样单元的输入端采集移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块的输出电压信号，其输出端连接A/D转换单元的输入端；所述主控制器单元的输入端连接A/D转换单元的输出端，其输出端连接控制信号发生器单元的输入端，且所述主控制器单元还与数据存储器单元呈双向连接；所述控制信号发生器单元的输入端连接主控制器单元的输出端，其输出端连接PWM信号触发器单元输入端。

所述A/D转换单元采用带有8位A/D转换器采用逐次近似来实现模数转化的芯片ADC0809。

所述数据存储器单元采用可以同时读写且断电数据不丢失的Flash Memory闪存型存储器。

所述主控制器单元采用UC3875控制芯片。

一种基于相移谐振控制器的光伏***变换器的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

⑴太阳能电池板模块输出的基准电压信号U_ref(s)进入移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块，在移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块中，基准电压U_ref(s)与变换器经过分压后的输出电压U₀(s)相比较生成电压误差信号，误差信号经过变换器的调节，其输出作为变换器的基准电流I_ref(s)；

⑵在移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块中，高频变压器副边绕组的交流电流信号经取样电阻转换为电压信号，并通过RC低通滤波器抑制噪声进行采样输出，得到的输出滤波电感电流采样信号与变化器的基准电流I_ref(s)进行比较，经过变换器的调节，其输出信号U₀(s)直接进入相移谐振控制器模块中的数据采样单元及蓄电池模块和负载模块；

⑶数据采样单元采集移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器输出的电压信号U₀(s)，信号经A/D转换单元进行模数转换，并存入数据存储器，以备调取信号数据；

⑷经A/D转换单元转换的信号进入住控制器单元，与锯齿波进行比较，通过控制信号发生器单元控制PWM产生，为PWM信号触发器提供驱动信号，通过调节占空比，使***输出稳定。

本发明的工作原理：

（1）移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器设计，如图2所示为移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器主电路拓扑结构。其中，G₁～G₄为变换器功率开关管，G₁、G₃组成超前桥臂，在开通时处于零电压状态；G₂、G₄组成滞后桥臂，在关断时处于零电流状态。C_b为阻断电容，它的作用是使初级电流复位；D₁和D₃分别是G₁和G₃的反并联二极管，C₁和C₃分别是G₁和G₃的并联寄生电容。L_f为输出滤波电感，C_f为输出滤波电容，L_r为变压器的漏感，xfml2为高频变压器，DR₁～DR₄为副边整流电路的整流二极管；移相全桥ZVZCSPWM DC/DC变换器是移相全桥ZVS PWM变换器和移相全桥ZCSPWM变换器的混合，其特点为：超前桥臂仍然和ZVS一样，利用功率开关管的并联寄生电容来实现功率管的零电压开关；而滞后桥臂功率开关管则实现了ZCS，滞后桥臂开关管并不再并联电容，从而避免了开关管开通时电容释放的能量增大开通损耗；这种移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器不仅可以大幅度降低电路内部的环流能量、减小功率元器件的开关损耗和开关噪声、提高变换器的整体效率，还可以减小副边占空比的丢失、提高最大占空比，而且该拓扑可以在很宽的输入和负载变化范围内实现软开关，在各中大功率场合得到了广泛的应用；为了更好的分析，先做以下假设：所有功率元器件（包括二极管、功率管、电容、电感等）都为理想元件；隔直电容C_b足够大；开关管并联二极管值相等，即C₁=C₃=C_r；L_f≥L_r，即输出滤波电感远大于变压器漏感；当G₁和G₄导通时，负载电流给阻断电容C_b充电。当G₁（或G₃）关断，G₃（或G₁）的反并二极管D_3.（或D_1.）导通后，变换器工作在零状态，C_b上的电压使原边电流i_p减小到零，从而实现G₂和G₄的零电流开关。在零状态时，i_p减小到零后不能继续反方向增加，因此必须切断i_p的反向通路。D_2.和D_4.就是用来在零状态时阻止i_p反方向流动的；在t₀这个时刻，开关管G₁、G₄都是导通的，高频变压器原边电流i_p给阻断电容C_b充电。这时变压器原边电流有最大值，为：i_p0=I₀/K，阻断电容C_b的电压为U_Cb（t₀）。其中，K为变压器原副边绕组匝数比；

（2）控制***反馈环路的设计：为了使移相全桥ZVZCS PWMDC/DC变换器具有良好的稳定性及动态响应速度，一般要为其控制***设计性能良好的反馈环路。开关变换器主要分为开环反馈和闭环反馈两种控制模式，对于主要应用于中大功率场合的移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器来说，一般采用闭环反馈控制模式；闭环反馈控制主要分为单环控制和双环控制两类，其中单环控制又称为单环电压型控制，双环控制又称为电流型控制（或电压、电流双环控制）；单环电压型控制发展较早，且它只有一个电压反馈闭环，结构简单、容易实现；但是其动态响应速度较慢，而且采用该控制方法在瞬态过程中可能会导致***的输出电压大幅度波动，从而造成***的不稳定；而双环控制很好的解决了单环控制的不足之处，它不但具有良好的动态响应速度，而且当负载发生突变时，能较好的维持***的稳定性；在本专利中，即采用电压电流双闭环的控制方法；在该控制***中，电压外环控制器和电流内环控制器都作用于同一控制***，它们之间必然会相互影响，因此在设计时，首先要获得稳定的电流内环后，通过对它其中各个参数的精心选取，得到其传递函数，并将该传递函数作为电压外环的一部分，进而设计出电压外环的各个参数。在控制***的设计过程中，最为复杂的就是PI控制器参数的设计；本专利中，选用一个单零点-双极点补偿网络。该补偿网络结构简单、具有较高的静态增益和较小的静态误差，可提高***的动态响应速度及控制精度；

（3）UC3875控制芯片***电路的设计：本专利中移相全桥ZVZCS变换器的控制***采用UC3875为主控制芯片，UC3875芯片主要的参数设计为：1、芯片时钟频率的设置：已知Freqset端为芯片的频率设置端，主要用来设置工作频率，通常将频率设置端接通某一选定的电容和某一选定的电阻来与地相连，其公式为：

已知在式中，开关频率为f_s=100kHz，根据以上公式，取电阻R为40ΚΩ，电容值C为500pF，代入得时钟频率f=200kHz，开关频率为其一半，满足要求；1）死区时间的设置：Delay C-D和Delay A-B为芯片输出延迟控制端，主要用来设置死区，设置方法为：通常将该端串联某一选定的电容和某一选定的电阻来与地相连，从而设置它们了之间的电流，进而设置了同一桥臂功率开关管之间的死区时间，防止了一个桥臂的直通。可设置延迟电流为：

$I_{\mathrm{Delay}}=\frac{U_{\mathrm{Delay}}}{R_{\mathrm{Delay}}}=\frac{2.4}{8\×{10}^3}=0.3\mathrm{mA}$

其中U_Delay为延迟电压。

则死去时间Φ可设置为：

$\mathrm{\Φ}=\frac{62.5\×{10}^{-12}}{I_{\mathrm{Delay}}}=\frac{62.5\×{10}^{-12}}{0.3\×{10}^{-3}}=208.33\mathrm{ns}$

其中I_Delay为延迟电流。

由此可设置死区时间为200ns，Delay C-D和Delay A-B串联电阻为8ΚΩ，旁路电阻为0.01μF；2）锯齿波的设置：锯齿波的产生由Slope（跿度端）和Ramp（斜波段）共同设置。在Slope脚处接一个电阻形成斜波，连接这个电阻到电源电压端V_cc，将为其提供电压反馈。Ramp脚为PWM比较器的一个输入端，可通过一个电容连接到地，则锯齿波电压的斜率可由下式决定：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_s}{R_s{C}_s}=\frac{U}{R_{\mathrm{slope}}{C}_{\mathrm{ramp}}}$

其中R_Slope为跿度端电阻，C_Ramp为斜波段电容。在本专利中，取R_Slope=75KΩ，C_Ramp=75pF；

3）其它设置：U_ref为基准电压端，可输出精确的5V电压，在本专利中，U_ref端通过分压输出到电压环，作为它的基准电压，为了使U_ref更好的脱离欠压锁定的状态，并联了一个容值为0.1μF的旁路电容到信号地端；电源电压端U_cc和芯片供电电源端U_in都接12V稳压电源；电流检测端CS+,为电流故障比较器的同相输入端，此脚可实现过流保护的作用，在本文中，该脚直接接信号地端；软启动端Softstart，当U_in低于欠压锁定值（10.75V）时，该脚电平与地持平，当U_in正常时，若电流出现故障，该脚电压从4.8V直接下降到0。可实现过流保护作用，在本专利中，该脚接一个容值为1μ的电容直接到信号地端。

本发明的优越性在于：①硬件与软件结合，简单实用，可操作性强；②该控制方法损耗小，抗噪声能力强，计算时间短；③变换器的开关频率及光伏***的转换效率都大幅度提高；④硬件设计部分更具依据性和***性，并且控制代价小，工程上易于实现。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于相移谐振控制的光伏***变换器的总体结构框图。

图2为本发明所涉一种基于相移谐振控制的光伏***变换器中移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器主电路拓扑结构图。

图3为本发明所涉一种基于相移谐振控制的光伏***变换器中移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器控制***的工作原理图。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于相移谐振控制的光伏***变换器（见图1），其特征在于它包括太阳能电池板模块、移相全桥ZVZCS PWMDC/DC变换器模块、蓄电池模块、负载模块、PWM信号触发模块以及相移谐振控制器模块；其中，所述移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块的输入端采集太阳能电池板模块的输出信号以及PWM信号触发器的输出信号，其输出端连接蓄电池模块的输入端和相移谐振控制器模块的输入端；所述蓄电池模块的输出端与负载模块的输入端连接；所述相移谐振控制器的输入端连接移相全桥ZVZCS PWMDC/DC变换器模块的输出端，其输出端与PWM信号触发模块的输入端连接。

所述移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块（见图2）由电压源Vin、功率开关管G1、功率开关管G2、功率开关管G3、功率开关管G4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、整流二极管DR1、整流二极管DR2、整流二极管DR3、整流二极管DR4、电容C1、电容C3、电容Cb、电容Cf、电感Lf、电感Lr、电感R0、高频变压器xfml2组成；其中，所述功率开关管G1的输出端连接电压源Vin的正极；所述功率开关管G3的输入端连接电压源Vin的负极；所述二极管D1和二极管D3分别与电容C1和电容C3并联，且分别反并联于功率开关管G1和功率开关管G3呈反并联连接；所述功率开关管G1的输入端和功率开关管G3的输出端共同连接电容Cb；所述电容Cb另一端通过电感Lr与高频变压器xfml2连接；所述功率开关管G1的输出端连接功率开关管G2的输出端；所述功率开关管G2的输入端通过二极管D2的输入端与功率开关管G4的输出端连接；所述功率开关管G3的输入端连接二极管D4的负极；所述二极管D4的正极连接功率开关管G4的输入端；所述二极管D2的负极和功率开关管G4的输出端共同连接高频变压器xfml2；所述高频变压器xfml2另一侧的一端分别连接整流二极管DR1的正极和整流二极管DR3的负极，而另一端分别连接整流二极管DR2的正极和整流二极管DR4的负极；所述整流二极管DR1和DR2的负极共同连接电感Lf；所述电感Lf的另一端连接电容Cf与电感R0；所述整流二极管DR3和DR4的正极共同连接电容Cf与电感R0的另一端；电容Cf与电感R0并联。

所述相移谐振控制器模块（见图1）由数据采样单元、A/D转换单元、主控制器单元、数据存储器单元以及控制信号发生器单元组成；其中，所述数据采样单元的输入端采集移相全桥ZVZCS PWMDC/DC变换器模块的输出电压信号，其输出端连接A/D转换单元的输入端；所述主控制器单元的输入端连接A/D转换单元的输出端，其输出端连接控制信号发生器单元的输入端，且所述主控制器单元还与数据存储器单元呈双向连接；所述控制信号发生器单元的输入端连接主控制器单元的输出端，其输出端连接PWM信号触发器单元输入端。

所述A/D转换单元采用带有8位A/D转换器采用逐次近似来实现模数转化的芯片ADC0809。

所述数据存储器单元采用可以同时读写且断电数据不丢失的Flash Memory闪存型存储器。

所述主控制器单元采用UC3875控制芯片。

一种基于相移谐振控制器的光伏***变换器的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

⑴太阳能电池板模块输出的基准电压信号U_ref(s)进入移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块，在移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块中，基准电压U_ref(s)与变换器经过分压后的输出电压U₀(s)相比较生成电压误差信号，误差信号经过变换器的调节，其输出作为变换器的基准电流I_ref(s)；

⑵在移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块中，高频变压器副边绕组的交流电流信号经取样电阻转换为电压信号，并通过RC低通滤波器抑制噪声进行采样输出，得到的输出滤波电感电流采样信号与变化器的基准电流I_ref(s)进行比较，经过变换器的调节，其输出信号U₀(s)直接进入相移谐振控制器模块中的数据采样单元及蓄电池模块和负载模块；

⑶数据采样单元采集移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器输出的电压信号U₀(s)，信号经A/D转换单元进行模数转换，并存入数据存储器，以备调取信号数据；

⑷经A/D转换单元转换的信号进入住控制器单元，与锯齿波进行比较，通过控制信号发生器单元控制PWM产生，为PWM信号触发器提供驱动信号，通过调节占空比，使***输出稳定。

Claims (6)

1.一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于它包括太阳能电池板模块、移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块、蓄电池模块、负载模块、PWM信号触发模块以及相移谐振控制器模块；其中，所述移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块的输入端采集太阳能电池板模块的输出信号以及PWM信号触发器的输出信号，其输出端连接蓄电池模块的输入端和相移谐振控制器模块的输入端；所述蓄电池模块的输出端与负载模块的输入端连接；所述相移谐振控制器的输入端连接移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块的输出端，其输出端与PWM信号触发模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于所述移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块由电压源Vin、功率开关管G1、功率开关管G2、功率开关管G3、功率开关管G4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、整流二极管DR1、整流二极管DR2、整流二极管DR3、整流二极管DR4、电容C1、电容C3、电容Cb、电容Cf、电感Lf、电感Lr、电感R0、高频变压器xfml2组成；其中，所述功率开关管G1的输出端连接电压源Vin的正极；所述功率开关管G3的输入端连接电压源Vin的负极；所述二极管D1和二极管D3分别与电容C1和电容C3并联，且分别反并联于功率开关管G1和功率开关管G3呈反并联连接；所述功率开关管G1的输入端和功率开关管G3的输出端共同连接电容Cb；所述电容Cb另一端通过电感Lr与高频变压器xfml2连接；所述功率开关管G1的输出端连接功率开关管G2的输出端；所述功率开关管G2的输入端通过二极管D2的输入端与功率开关管G4的输出端连接；所述功率开关管G3的输入端连接二极管D4的负极；所述二极管D4的正极连接功率开关管G4的输入端；所述二极管D2的负极和功率开关管G4的输出端共同连接高频变压器xfml2；所述高频变压器xfml2另一侧的一端分别连接整流二极管DR1的正极和整流二极管DR3的负极，而另一端分别连接整流二极管DR2的正极和整流二极管DR4的负极；所述整流二极管DR1和DR2的负极共同连接电感Lf；所述电感Lf的另一端连接电容Cf与电感R0；所述整流二极管DR3和DR4的正极共同连接电容Cf与电感R0的另一端；电容Cf与电感R0并联。

3.根据权利要求1所述一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于所述相移谐振控制器模块由数据采样单元、A/D转换单元、主控制器单元、数据存储器单元以及控制信号发生器单元组成；其中，所述数据采样单元的输入端采集移相全桥ZVZCS PWMDC/DC变换器模块的输出电压信号，其输出端连接A/D转换单元的输入端；所述主控制器单元的输入端连接A/D转换单元的输出端，其输出端连接控制信号发生器单元的输入端，且所述主控制器单元还与数据存储器单元呈双向连接；所述控制信号发生器单元的输入端连接主控制器单元的输出端，其输出端连接PWM信号触发器单元输入端。

3、根据权利要求3所述一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于所述A/D转换单元采用带有8位A/D转换器采用逐次近似来实现模数转化的芯片ADC0809。

4.根据权利要求3所述一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于所述数据存储器单元采用可以同时读写且断电数据不丢失的Flash Memory闪存型存储器。

5.根据权利要求3所述一种基于相移谐振控制的光伏***变换器，其特征在于所述主控制器单元采用UC3875控制芯片。

6.一种基于相移谐振控制器的光伏***变换器的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

⑴太阳能电池板模块输出的基准电压信号U_ref(s)进入移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块，在移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块中，基准电压U_ref(s)与变换器经过分压后的输出电压U₀(s)相比较生成电压误差信号，误差信号经过变换器的调节，其输出作为变换器的基准电流I_ref(s)；

⑵在移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器模块中，高频变压器副边绕组的交流电流信号经取样电阻转换为电压信号，并通过RC低通滤波器抑制噪声进行采样输出，得到的输出滤波电感电流采样信号与变化器的基准电流I_ref(s)进行比较，经过变换器的调节，其输出信号U₀(s)直接进入相移谐振控制器模块中的数据采样单元及蓄电池模块和负载模块；

⑶数据采样单元采集移相全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器输出的电压信号U₀(s)，信号经A/D转换单元进行模数转换，并存入数据存储器，以备调取信号数据；

⑷经A/D转换单元转换的信号进入住控制器单元，与锯齿波进行比较，通过控制信号发生器单元控制PWM产生，为PWM信号触发器提供驱动信号，通过调节占空比，使***输出稳定。

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