CN218549755U - 一种四开关bob光伏充电电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出一种四开关BOB光伏充电电源，包括光伏组件和功率回路，所述功率回路连接光伏组件，所述功率回路包括4组功率开关Q1‑Q4，功率开关Q1、功率开关Q2和电感L1连接组成BUCK电路，功率开关Q3、功率开关Q4和电感L1组成BOOST电路，BUCK电路通过电感L1连接BOOST电路，所述BUCK电路和BOOST电路上均设置有电容，所述功率开关均受控于控制***，本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源及驱动控制方法，实现了充电电源在宽范围输入过程中通过四开关BUCK‑BOOST进行充电时不需要对比输入和输出电压即可进行驱动控制的效果，同时实现自动平滑切换以及简单的驱动自举功能。

Description

一种四开关BOB光伏充电电源
技术领域
本实用新型涉及光伏充电电源技术领域，尤其涉及一种四开关BOB光伏充电电源。
背景技术
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由光伏组件、控制器和功率电路三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。光伏组件经过串并联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
目前户外便携式设备大多具备兼容光伏输入，其通过光伏组件对储能电池进行充电，四开关BUCK-BOOST变换器可将宽电压范围的光伏组件进行升压、降压、输入等于输出变换。当输入电压大于输出电压时，工作在BUCK模式；当输入电压小于输出电压时工作在BOOST模式，当输入等于输出时工作于BUCK-BOOST模式，这是一种传统的三模态控制方式，而传统的三模态控制在工作过程中会出现需要比较输入和输出电压后才可以切换工作状态模式。而另一种传统控制更为简单，H桥臂中的对管采用同一路驱动进行控制，电路始终工作在BUCK-BOOST模式，也无需比较输入和输出电压，但储能电感中峰值电流较大导致四个开关MOS管损耗增大且共摸电流较大。
实用新型内容
本实用新型为了解决四开关BUCK-BOOST变换器在切换模式时需要比较输入电压和输出电压导致占空比切换不连续，控制复杂的问题，提供一种四开关BOB光伏充电电源。
本技术方案如下：
一种四开关BOB光伏充电电源，包括控制***、光伏组件和功率回路，所述功率回路连接光伏组件，所述功率回路包括4组功率开关Q1-Q4，功率开关Q1、功率开关Q2和电感L1连接组成BUCK电路，功率开关Q3、功率开关Q4和电感L1组成BOOST电路，BUCK电路通过电感L1连接BOOST电路，所述BUCK电路和BOOST电路上均设置有电容，所述功率开关均受控于控制***。
进一步的，所述4组功率开关为N沟道MOS管Q1-Q4，所述N沟道MOS管Q1的漏极连接光伏组件的正极，N沟道MOS管Q1的源极分别连接电感L1一端、N沟道MOS管Q2的漏极，N沟道MOS管Q2的源极分别连接光伏组件的负极、N沟道MOS管Q3的源极、电池负极，N沟道MOS管Q3的漏极分别连接电感L1另一端、N沟道MOS管Q4的源极，N沟道MOS管Q4的漏极连接电感L2一端，电感L2另一端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电池正极。
进一步的，还包括电容C1、电容C2、电容C3、电流采样电阻R1，所述电容C1一端连接N沟道MOS管Q1漏极，电容C1另一端连接N沟道MOS管Q2的源极，所述电容C2一端连接N沟道MOS管Q4漏极，电容C2另一端连接N沟道MOS管Q3的源极，所述电容C3一端连，电容C3另一端分别连接N沟道MOS管Q3的源极、电流采样电阻R1一端，电流采样电阻另一端连接电池负极。
进一步的，所述控制***包括MCU、第一自举双路驱动、第二自举双路驱动和信号调理电路，所述MCU的PWM1端连接第一自举双路驱动，第一自举双路驱动分别连接N沟道MOS管Q1的栅极、N沟道MOS管Q2的栅极，所述MCU的PWM2端连接第二自举双路驱动，第二自举双路驱动分别连接N沟道MOS管Q3的栅极、N沟道MOS管Q4的栅极，所述MCU的ADC端连接信号调理电路，信号调理电路与电流采样电阻R1并联。
进一步的，还包括辅助电源和显示面板，所述辅助电源的输出端连接MCU，辅助电源的输入端分别连接光伏组件的正极和负极，所述显示面板电连接MCU。
进一步的，还包括H桥电路，所述H桥电路的驱动信号输入端连接自举双路驱动输出端，所述第一自举双路驱动和第二自举双路驱动的结构相同。
进一步的，所述信号调理电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端分别连接电阻R4一端、电阻R2一端，电阻R4另一端接地，电阻R2另一端连接电流采样电阻R1一端，第一运算放大器的反相输入端分别连接电阻R3一端、电阻R5一端、电容C4一端，电阻R3另一端连接电流采样电阻R1另一端，第一运算放大器的输出端分别连接电阻R5另一端、电容C4另一端、MCU的ADC端。
进一步的，所述辅助电源包括集成控制器，所述集成控制器分别连接N沟道MOS管Q5的栅极、N沟道MOS管Q6的栅极，N沟道MOS管Q5的漏极分别连接电容C4一端、光伏组件的正极，N沟道MOS管Q6的源极分别连接电容C4另一端、光伏组件的负极、电容C5一端，N沟道MOS管Q5的源极和N沟道MOS管Q6的漏极均连接电感L3一端，电感L3另一端分别连接MCU的电压输入端、电容C5另一端。
实用新型的有益效果：
本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源及驱动控制方法，实现了充电电源在宽范围输入过程中通过四开关BUCK-BOOST进行充电时不需要对比输入和输出电压即可进行驱动控制的效果，同时实现自动平滑切换以及简单的驱动自举功能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源现有技术方案电路原理图；
图2为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的现有技术波形图一；
图3为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的现有技术波形图二；
图4为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的现有技术波形图三；
图5为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的现有技术波形图四；
图6为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的现有技术波形图五；
图7为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的电路原理图；
图8为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的两段模式参考图；
图9为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的单BUCK驱动波形图；
图10为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的单BOOST驱动波形图；
图11为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的驱动控制方法的流程图；
图12为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的自举双路驱动电路原理图；
图13为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的电流信号调理电路原理图；
图14为本实用新型提出的一种四开关BOB光伏充电电源的辅助电源电路原理图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
实施例1
图1为现有四开关BUCK-BOOST电路的电路原理图，其工作方式有2种，方式1为传统控制：Q1和Q3同时工作，Q2和Q4同时工作，且两组MOS管交替导通，其驱动方式参考图2，方式2为多模态控制方式：该方式分为Vin>>Vout表示为Vin远大于Vout，一般电压超过2V如图3,Vin≥Vout表示为Vin接近Vout且Vin大于Vout如图4，Vin≤Vout表示为Vin接近Vout且Vin小于Vout如图5，Vin<<Vout表示为Vin远小于Vout，一般电压超过2V如图6，其中方式1不需要比较输入输出电压关系，但会将所有的能量先通过电感L1储存，再释放至输出端，其中电感峰值电流相比单BUCK或者单BOOST电路的电流更大，使得四个开关MOS管的损耗更大，共模噪声更大，其中方式2电路结构复杂，需要比较输入输出电压进行模态切换，驱动电路中的高边MOS管需要持续导通，不能通过简单的自举完成，而本实用新型在结合方式1和方式2的基础上，提出无需比较输入和输出电压关系，可工作于单BUCK模式或单BOOST模式并完成自动切换，同时通过简单的自举方式实现高边MOS管驱动的方案。
如图7，所述方案提出一种四开关BOB光伏充电电源，包括控制***、光伏组件和功率回路，所述功率回路连接光伏组件，所述功率回路包括4组功率开关Q1-Q4，功率开关Q1、功率开关Q2和电感L1连接组成BUCK电路，功率开关Q3、功率开关Q4和电感L1组成BOOST电路，BUCK电路通过电感L1连接BOOST电路，所述BUCK电路和BOOST电路上均设置有电容，所述功率开关均受控于控制***，所述4组功率开关为N沟道MOS管Q1-Q4，所述N沟道MOS管Q1的漏极连接光伏组件的正极，N沟道MOS管Q1的源极分别连接电感L1一端、N沟道MOS管Q2的漏极，N沟道MOS管Q2的源极分别连接光伏组件的负极、N沟道MOS管Q3的源极、电池负极，N沟道MOS管Q3的漏极分别连接电感L1另一端、N沟道MOS管Q4的源极，N沟道MOS管Q4的漏极连接电感L2一端，电感L2另一端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电池正极，还包括电容C1、电容C2、电容C3、电流采样电阻R1，所述电容C1一端连接N沟道MOS管Q1漏极，电容C1另一端连接N沟道MOS管Q2的源极，所述电容C2一端连接N沟道MOS管Q4漏极，电容C2另一端连接N沟道MOS管Q3的源极，所述电容C3一端连，电容C3另一端分别连接N沟道MOS管Q3的源极、电流采样电阻R1一端，电流采样电阻另一端连接电池负极，其中电容C3和电感L2组成滤波电路。
实施例2
参考图12-图14，本实施例在实施例1的基础上提出一种四开关BOB光伏充电电源的控制***功能说明。
所述控制***包括MCU、第一自举双路驱动、第二自举双路驱动和信号调理电路，所述MCU的PWM1端连接第一自举双路驱动，第一自举双路驱动分别连接N沟道MOS管Q1的栅极、N沟道MOS管Q2的栅极，所述MCU的PWM2端连接第二自举双路驱动，第二自举双路驱动分别连接N沟道MOS管Q3的栅极、N沟道MOS管Q4的栅极，所述MCU的ADC端连接信号调理电路，信号调理电路与电流采样电阻R1并联。
进一步的，所述控制***还包括辅助电源和显示面板，所述辅助电源的输出端连接MCU，辅助电源的输入端分别连接光伏组件的正极和负极，所述显示面板电连接MCU。
进一步的，还包括H桥电路，所述H桥电路的驱动信号输入端连接自举双路驱动输出端，所述第一自举双路驱动和第二自举双路驱动的结构相同，自举双路驱动通过外加自举电容，在N沟道MOS管Q2或N沟道MOS管Q3导通时完成充电，在N沟道MOS管Q1或N沟道MOS管Q4导通时完成自举。
进一步的，所述信号调理电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端分别连接电阻R4一端、电阻R2一端，电阻R4另一端接地，电阻R2另一端连接电流采样电阻R1一端，第一运算放大器的反相输入端分别连接电阻R3一端、电阻R5一端、电容C4一端，电阻R3另一端连接电流采样电阻R1另一端，第一运算放大器的输出端分别连接电阻R5另一端、电容C4另一端、MCU的ADC端，电流流过采样电阻R1，在电流采样电阻R1上产生电压信号，将此电压信号经过差分放大后送入MCU，其中信号调理电路中的电阻R2和电阻R4阻值相等，电阻R3和电阻R5的阻值相等。
进一步的，所述辅助电源包括集成控制器，所述集成控制器内部集成MOS管，可适应高电压输入，将光伏组件电源降压处理后用于MCU、信号调理电路及自举双路驱动的供电，所述集成控制器分别连接N沟道MOS管Q5的栅极、N沟道MOS管Q6的栅极，N沟道MOS管Q5的漏极分别连接电容C4一端、光伏组件的正极，N沟道MOS管Q6的源极分别连接电容C4另一端、光伏组件的负极、电容C5一端，N沟道MOS管Q5的源极和N沟道MOS管Q6的漏极均连接电感L3一端，电感L3另一端分别连接MCU的电压输入端、电容C5另一端，所述电容C4用于防止放大器的自激震荡，通常为100pF贴片瓷片电容。
实施例3
本实施例提出一种四开关BOB光伏充电电源的驱动控制方法，通过MCU设定全局变量，该全局变量为功率回路的输出误差值，输出误差值由MPPT算法计算得到，误差值为误差范围值error，其范围在0～9416；
如图8，将误差范围值error平均分为两段，前段0～4708对应单BUCK工作模式，后段4708～9416对应单BOOST工作模式
设定PWM的周期计数值为4208，所述的计数值由MCU的PWM配置寄存器得到，配置为边沿对齐模式累加模式，对应PWM周期为200kHz。PDC1为PWM1占空比寄存器，PDC1的值对应为开关管Q1的占空比，开关管Q2占空比和开关管Q1占空比为带死区时间的互补模式且最大计数值为4208，所述的计数值由MCU的PWM计数器检测得到，对应Q1最大占空比为4208/4708*100%=89.37%，PDC2为PWM2占空比寄存器，PDC2的值对应为开关管Q3的占空比，开关管Q4占空比和开关管Q3占空比为带死区时间的互补模式，同理设定Q3的最小占空比为((5208-4708)/4708)*100%=10.63%，MPPT计算步进为1，即每进行一次计算error更新为error+1或error-1。
1.单BUCK模式：当MPPT计算出的error<4207时，工作于单BUCK模式，PDC1=error,开关管Q1和Q2的占空比直接由error值进行控制，开关管Q3和Q4为固定占空比，开关管Q3以最小占空比10.63%工作即PDC2=500。工作驱动波形如图9。
2.单BUCK模式向单BOOST过度模式：当MPPT计算出的error=4208，error的值立即跳变为5209，将开关管Q1设置为最大占空比89.37%即PDC1=4208并保持不变，将开关管Q3占空比设置为10.641%，即PDC2=5209-4708=501，完成单BUCK模式向单BOOST过度。
3.单BOOST过度模式：当MPPT计算出的error＞5209时，工作于单BOOST模式，开关管Q3个Q4的占空比直接由error值进行控制，即PDC2=error-4708，开关管Q1和Q2为固定占空比，开关管Q1以最大占空比89.37%，即PDC2=4208工作,工作驱动波形如图10。
4.单BOOST模式向单BUCK过度模式：当MPPT计算出的error=5208，error值立即跳变为4207，将开关管Q3占空比设置为最小占空比10.63%，即PDC2=500并保持不变，将开关管Q1占空比设置为89.37%，即PDC1=4207，完成单BOOST模式向单BUCK模式过度。
在MPPT计算中输出误差步进为1，即每次变化1格，目的是为了使error出现在BUCK变换边缘或BOOST变换边缘，避免error一直存在于BUCK-BOOST之间而避开BUCK-BOOST变换。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，包括控制***、光伏组件和功率回路，所述功率回路连接光伏组件，所述功率回路包括4组功率开关Q1-Q4，功率开关Q1、功率开关Q2和电感L1连接组成BUCK电路，功率开关Q3、功率开关Q4和电感L1组成BOOST电路，BUCK电路通过电感L1连接BOOST电路，所述BUCK电路和BOOST电路上均设置有电容，所述功率开关均受控于控制***。
2.根据权利要求1所述的一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，所述4组功率开关为N沟道MOS管Q1-Q4，所述N沟道MOS管Q1的漏极连接光伏组件的正极，N沟道MOS管Q1的源极分别连接电感L1一端、N沟道MOS管Q2的漏极，N沟道MOS管Q2的源极分别连接光伏组件的负极、N沟道MOS管Q3的源极、电池负极，N沟道MOS管Q3的漏极分别连接电感L1另一端、N沟道MOS管Q4的源极，N沟道MOS管Q4的漏极连接电感L2一端，电感L2另一端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电池正极。
3.根据权利要求2所述的一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，还包括电容C1、电容C2、电容C3、电流采样电阻R1，所述电容C1一端连接N沟道MOS管Q1漏极，电容C1另一端连接N沟道MOS管Q2的源极，所述电容C2一端连接N沟道MOS管Q4漏极，电容C2另一端连接N沟道MOS管Q3的源极，所述电容C3一端连，电容C3另一端分别连接N沟道MOS管Q3的源极、电流采样电阻R1一端，电流采样电阻另一端连接电池负极。
4.根据权利要求2所述的一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，所述控制***包括MCU、第一自举双路驱动、第二自举双路驱动和信号调理电路，所述MCU的PWM1端连接第一自举双路驱动，第一自举双路驱动分别连接N沟道MOS管Q1的栅极、N沟道MOS管Q2的栅极，所述MCU的PWM2端连接第二自举双路驱动，第二自举双路驱动分别连接N沟道MOS管Q3的栅极、N沟道MOS管Q4的栅极，所述MCU的ADC端连接信号调理电路，信号调理电路与电流采样电阻R1并联。
5.根据权利要求4所述的一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，还包括辅助电源和显示面板，所述辅助电源的输出端连接MCU，辅助电源的输入端分别连接光伏组件的正极和负极，所述显示面板电连接MCU。
6.根据权利要求4所述的一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，还包括H桥电路，所述H桥电路的驱动信号输入端连接自举双路驱动输出端，所述第一自举双路驱动和第二自举双路驱动的结构相同。
7.根据权利要求4所述的一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，所述信号调理电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端分别连接电阻R4一端、电阻R2一端，电阻R4另一端接地，电阻R2另一端连接电流采样电阻R1一端，第一运算放大器的反相输入端分别连接电阻R3一端、电阻R5一端、电容C4一端，电阻R3另一端连接电流采样电阻R1另一端，第一运算放大器的输出端分别连接电阻R5另一端、电容C4另一端、MCU的ADC端。
8.根据权利要求5所述的一种四开关BOB光伏充电电源，其特征在于，所述辅助电源包括集成控制器，所述集成控制器分别连接N沟道MOS管Q5的栅极、N沟道MOS管Q6的栅极，N沟道MOS管Q5的漏极分别连接电容C4一端、光伏组件的正极，N沟道MOS管Q6的源极分别连接电容C4另一端、光伏组件的负极、电容C5一端，N沟道MOS管Q5的源极和N沟道MOS管Q6的漏极均连接电感L3一端，电感L3另一端分别连接MCU的电压输入端、电容C5另一端。
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