buck电路

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buck电路范文第1篇

关键词：buck 非隔离 准谐振 谷点检测

中图分类号：F02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0010-02

发光二极管作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优势。近年来发展起来的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前景。因此，LED的推广应用对能源紧缺的世界各国具有十分重要的意义[1-2]。

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适用的电源或驱动电路。随着对LED照明要求的提高，LED照明对其驱动电源的要求也越来越高。对整灯光效的要求促使LED驱动电源必须具有较高的效率。另外，高功率因数也成为LED驱动电源必须具备的要求。由于安装的要求，LED照明又对其功率密度提出了较高的要求[3-6]。针对上述LED驱动要求，该文提出了基于BUCK电路非隔离LED驱动电源方案。该方案具有以下优点（1）没有光耦且工作频率较高，因此整个电路更加简单，具有更高的功率密度。（2）具有较高的功率因数。（3）反馈电路工作在准谐振的工作模式，使整个电路具有更高的效率。

1 基于Buck变换器的PFC机理

1.1 拓扑结构和电路工作状态

图1为Buck PFC电路，Lf、Cf起滤波作用。为了简化分析，假设：a）电路工作在稳定态；b）所有元器件是理想的；c）电容Cout足够大保证输出电压恒定；d）在一个开关周期内输人电压是常数。

1.2 拓扑结构和电路工作状态

设输人工频交流电压为：

（1）

其中VP为输人工频交流电压幅值。为输人工频交流电压的角频率。

当开关S导通时，流过开关S的电流iS，等于流过电感L的电流iL。

（2）

此处D为开关的导通比，TS为开关周期，t’为一个开关周期内的时间。因此，在每个开关周期开关电流的平均值为：

（3）

图1中滤波电感电容Lf，Cf实现平均。

当D较小时，（3）式可以近似表示为：

（4）

可见交流输人电流与电压几乎同步，且输入电流近似为正弦，功率因子接近1。

对于连续工作模式的BUCK变换器，当开关S导通时，电感和开关电流为：

（5）

输入电流Iin即开关S在一个开关周期的平均电流为：

（6）

可见输入电流始终有一个直流偏移量，这时功率因子将明显降低。

1.3 临界电感

由式（2）可见，在一个开关周期电感电流峰值（即开关电流峰值）为：

（7）

一个开关周期输入能量为：

（8）

一个开关周期内的平均输入功率为：

（9）

半个工频周期内的平均输入能量为：

（10）

因此从交流电网吸取的平均功率为：

（11）

平均功率为：

（12）

由于输入和输出功率必须保持平衡，考虑到变换器的效率?，可以得出：

（13）

因此临界电感为：

（14）

当Buck变换器用于功率因数校正时，其电感量应小于LB，以保证较高的功率因数。

2 准谐振谷点开通技术

开关波形如图2所示，输出电流波形可以用式15表示：

（15）

其中IPK 是电感峰值电流，TEFF是电感电流上升和下降有效时间，tS是开关周期。

准谐振模式为Buck变换器提供了更低的开通电压损耗。因此整个变化器具有更高的效率。（见图3）

3 实验数据和结果

以输入176Vac～264Vac，输出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等为例设计样机。

3.1 稳态工作波形

输入176Vac和264Vac的工作波形图分别如图4和图5所示。

3.2 效率测试

效率随输入电压的变化曲线如图6所示。

3.3 基本参数设计

稳态时基本参数测量结果如图7所示。

4 结语

该文提出的基于Buck电路非隔离的LED驱动电路工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。实验结果表明了该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。

参考文献

[1] 钱可元，胡飞.大功率白光LED封装技术的研究[J].半导体光电，2005，26（2）：110-120.

[2] 雷开卓，韦力，刘树林.DCM Buck-PFC电路的临界电感与波形畸变[J].西北工业大学学报，1999，17（4）：589-593.

[3] 严百平，刘树林，陈治明.Buck变换器实现PFC的机理及其仿真[J].电气传动自动化，1998，20（4）：68-71.

[4] 王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，1997（1）：100-104.

buck电路范文第2篇

关键词：本质安全准Z源Buck变换器 输出保护

【中图分类号】TM46

1 引言

目前我国仍以煤炭作为主要能源，而煤矿井下含有甲烷及其同系物（乙烷、丙烷和丁烷）、氢气等爆炸性气体 ；另一方面煤矿井下湿度大、空间有限、通风效果差、电气设备工作地点分散、电磁干扰强烈等因素，这对井下的电气设备提出更高的要求。本质安全开关电源比之普通线性电源具有效率高、体积小、重量轻、电网电压波动适应能力强等优点，其应用于煤矿井下等一些危险的环境中有着广阔的前景，因此，对本质安全开关电源的研究具有重要意义。

本质安全开关电源通常在其输出端增加保护电路，用以抑制输出短路/开路故障时的火花放电能量，使其在含有爆炸性气体的危险环境中依然能安全工作。

为了能有效地抑制开关电源输出短路/开路故障时的火花放电能量，文献[1]提出了一种增加Z源网络的本安型开关电源结构。如图1所示，该结构由三部分构成：开关电源、Z源网络和安全栅保护电路。开关电源将煤矿通用127V交流电转换成电气设备所需稳定直流电压，Z源网络通过电感限制输出短路时的电容释能速度，同时利用电容限制输出开路时的电感释能速度，与快速安全栅保护电路相配合，有效地减小火花放电能量，提高电源的本安性能。本文基于文献[2]提供的设计思路，设计并制作了实用电路，验证了该理论的正确性与实用性。本文根据具体需要，设计的本安电源输出为12V直流电压。

2 开关电源的设计

开关电源实现了AC-DC转换功能，包含工频变压器、二极管整流电路、Buck电路三大部分。如图2所示，工频变压器输入1 交流、输出2 交流；工频变压器的输出级接由四个二极管组成的单相桥式不可控整流电路，根据负载的情况合理配置电容可实现输出直流电压2；本文应用LM2576-ADJ及其电路组成Buck电路，合理设置反馈电阻使输出电压Uo稳定在12V。

为满足输出电压12V，选用LM2576-ADJ芯片，在图3所示内部原理图中，该芯片内部含有1.235V基准电压和一个固定频率52KHz振荡器，同时具有热关断电路和电流限制电路，开路、，反馈电阻由外部提供，如图4所示，通过配置接于4管脚的R和W两个电阻阻值，调节输出电压值，此结构构成了电压闭环，当输出电压大于额定值时，4管脚采样电压高于1.235V，使芯片输出PWM波的占空比减小，电压减小，反之同理。

3 Z源网络的设计

在上述常规Buck电路基础上，加入Z源网络，可得到如图5所示的基于准Z源的输出本安型Buck变换器的一种拓扑实现。准Z源网络中的电感L1可有效限制输出短路时滤波电容C向短路点释放能量的速度；电容C1可有效限制输出开路时的电感L1电压的上升，防止输出端开路时电感L1在输出端产生高电压电弧点燃瓦斯；二极管VD1可防止输出端短路时电容C与C1形成放电通路。

从电路拓扑形态看，相当于准Z源网络代替了常规Buck变换器的LC滤波网络。当电源输出端发生短路或开路故障时，输出短路放电电流的增长被有效地抑制，有效地延缓了开关电源滤波电感、滤波电容向输出故障点的释能，从而减小输出短路故障时的瞬时放电功率。适当选择准Z源网络L1C1参数值，有效延缓输出故障时变换器储能电感、滤波电容的释能速度，与快速安全栅保护电路相配合，便可有效地减小故障时的火花放电能量，进而提高本安电源的本质安全性能。

4 截止型输出短路保护电路的设计

在输出保护电路部分，参照文献[4]，本文选用截止型输出短路保护电路，其内部结构如图6所示，短路检测电路检测输出电压送往比较器，当输出电压降低到低于给定值时，判定发生短路，比较器输出高电平。由于开关变换器在启动期间输出电压较低，为防止短路保护电路误动作，设置了一个启动延时电路，该启动延时电路由变换器输入电压的上升沿或单稳态触发器的下跳沿触发，触发后使逻辑与门封锁，此时即使比较器输出为高电平保护电路也不动作，延时时间到后逻辑与门解封。当在开关变换器正常工作中检测到输出短路时，单稳态触发器被迅速触发，经驱动电路使开关变换器的功率开关管迅速关断，输入电源被彻底切断，单稳电路延时一段时间后，如果短路故障消除，电路恢复到正常工作状态。启动延时电路和单稳态触发器确保了该截止型输出短路保护电路能够实现自恢复。

低压限流保护电路正常情况下处于封锁状态，当输出电压降低到低于给定设定值时，低压限流保护电路解封，此时若检测到变换器的输出电流高于设置值，低压限流保护电路立即通过驱动电路关断变换器的功率开关管，避免了在长时间输出短路情况下，因自恢复而造成的向短路处传输较大电流的问题。安全栅保护电路动作时间极短，一般从输出发生故障到开关管彻底关断的时间仅为1～2s。

5 实验结果及分析

图8为该准Z源Buck变换器输出短路电压、电流波形图，由图可看出：当输出端未发生短路时，电压输出为12V，当其输出端突然短路时，输出电流上升，截止型输出保护电路起作用时，输出电流迅速下降，最后输出电压与电流均减至零，整个过程不超过8us。

6总结

准Z源Buck变换器可以有效地延缓输出端短路或开路时变换器向短路/开路故障点的释能速度，与截止型输出保护电路相配合，可以有效地减小火花放电能量，提高电源的本安特性。本文通过实际电路及实验现象，验证了Z源对电源本安特性的提高效果。

参考文献

[1] 程红，王聪，卢其威，等.具有火花能量延缓释能电路的本安电源。华人民共和国发明专利.201010257405.5.2011.07.27.

[2] 王兆安，刘进军。电力电子技术，第5版，北京：机械工业出版社，2009.5.

buck电路范文第3篇

Abstract： In the design of low-voltage high-current switching power supply， due to the relatively small output voltage， and large output current， in order to solve this problem， heterogeneous parallel is usually needed. In multiphase crisscross DC/DC converter， there is a problem of non-uniform current distribution， which will cause too large current in one phase causing damage and too small current in another phase failing to work normally. Aiming at this problem， the paper proposes using the HIP6303 HIP6602B and automatic flow technology， and the flow method is introduced in detail. Through theory and experiment， its current sharing effect is verified， thus the feasibility of the scheme is obtained.

关键词：交错并联；Buck；DC/DC；均流

Key words： staggered parallel；Buck；DC/DC；current sharing

中图分类号：TG434.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0226-02

0 引言

在多相交错并联的低压大电流的开关电源中，如果各个模块之间采取直接并联的方式，会出现电流分布不均匀的问题，为了解决这个问题，需要采取措施来使得各相之间的电流均衡的分配，同时，也可以使得各模块间的电压和电流的应力均衡的分配。在开关电源的设计过程中，为了使各个模块之间能够平均的分配电流，因此提出了均流技术。

1 均流方案的确定

在开关电源中应用均流技术，首要的原因是有很好的均流的效果，包括稳态和瞬态的均流效果；其次是可以使得并联的电源系统稳定，包括电流环和电压环的稳定。同时达到这两个效果，开关电源才能稳定的、可靠的工作。

直流开关电源的并联经常采用的均流方法有：主从设置法、最大电流自动均流法、外部控制电路法、下垂法及平均电流型自动均流法。

以上介绍的5种均流方法各有优、缺点，因此，选择合适的均流方案就变得十分重要。根据各模块之间是否相互联系，均流方法可以被分成两个大类：有源法和下垂法。采用均流母线，各模块之间有互相联系的均流方法，我们称之为有源法，如图1所示；各模块之间不存在母线，没有相互联系的均流的方法，我们称之为下垂法，如图2所示。

随着CPU的迅速发展，对其供电的电源要求电压越来越低，而电流要求越来越大。为了满足其可靠性高的要求，通常需要多个模块并联，下垂的控制方法，称为自适应电压调节方法，它利用输出电压随输出电流反向变化的特性，来实现阻抗的变化，以此来实现各模块的均流，有一定的均流效果，但只适用于电源要求不高的场合。有源法主要是由均流母线或控制方法组成的。均流母线是用来提供电流基准值，控制方法则是用来调节输出电压，此方法可以使各模块之间电流误差减小，提高调整率和均流的精度。综上所述，在文章的设计中采用无均流线的自动均流方法。

1.1 主电路

主电路采用四个Buck电路并联的形式，单个模块主电路参数为：输入电压7.2V，输出电压1.8，输出电流25A，电路工作在连续的模式，工作频率200kHz，滤波电感1.35μH，输出负载电阻为2mΩ，输出滤波电容12500μF，输出电压纹波0.02V。

1.2 控制电路

通过PWM控制芯片HIP6303和HIP6602B为Buck电路并联模块提供了一个精确的电压调节系统，满足了电流不断增长的需求，通过电压的调节，使得各路电流均匀分配，通过过电流的保护，实现多个通道的自动选择。HIP6602B属于双沟道控制器，可以同时驱动上管和下管，上管通过一个自举电路，防止了两管的直通现象。

实验中采用HIP6602B和HIP6303作为Buck电路并联模块的驱动电路，HIP6303可以得到四路互差的脉宽调制波，通过两个HIP6602B，从而形成四路脉宽调制脉冲，用来驱动Buck电路并联模块。为了降低损耗，在电路的设计过程中，采用了损耗较低MOSFET作为续流管。在VID0～VID4端输入二进制编码“0、1”，作为芯片的基准电压。HIP6602B和HIP6303组成的控制电路如图3所示。

2 实验结果

通过对四个并联模块进行分析验证，来实现四个Buck电路并联均流开关电路的输出。对输出电路进行仿真如图4所示。仿真结果如图5所示。

通过实验仿真结果分析，证明了该方法可以获得很好的均流效果，证明了该方法的可行性，从实验可以得出如下结论：

①这种无均流线的控制方法比较有效，可以很方便的实现均流的效果。

②控制方法相对简单。

参考文献：

[1]蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学直流变换部分[M].科学出版社，1993.

[2]周志敏，周继海.开关电源实用技术设计与应用[M].人民邮电出版社，2005：7-8.

[3]D.M Mitchell.DC-DC Switching Regulator Analysis[J].McGraw-Hill Book Company，1988.

buck电路范文第4篇

【关键词】Atmega128；充电控制；PWM；BUCK

近年来，石油资源日渐枯竭，且石油能源的开发利用对生态环境造成了严重的破坏，因此可持续发展、绿色能源的利用日渐成为人类急需解决的问题。太阳能作为一种绿色可再生能源，开始得到了广泛的利用[1]。当今，各国纯电动汽车的研究开发不断升温，我国多个汽车厂商开发了具有商业化的纯电动汽车。近年来，各科研院所对太阳能汽车技术进行了深入了的研究[2]，本论文以太阳能智能小车为应用领域，设计了一套基于智能小车的太阳能充电控制系统。

1.太阳能智能小车控制系统框图

智能小车由于采用太阳能实现供电，因此能实现全天候工作。智能小车通过其驱动系统，能随时调整方位，采用最大功率跟踪（MPPT）技术提高太阳能发电效率。由于太阳能电池的输出电压随时间而变化，因此不能直接给智能小车供电，也不能直接储存到蓄电池中，因此，太阳能充电控制器在太阳能充电系统中起着重要的作用。

Atmega128单片机采用通过控制算法，通过实施检测充电电压、电流，调整PWM波形，控制MOSFET的通断，改变BUCK电路来调整输出电压。为了保证输出电压的稳定，系统对输出电压、电流进行采样，通过A/D转换送入单片机，与参考值进行比较，调整PWM的反馈值。其控制系统的框图如图1所示：

图1 智能太阳能充电系统结构图

系统采用两段式充电模式，为了保证充电电池不过充，单片机设定了阈值充电电压，当充电电池两端电压未达到阈值电压时候，太阳能采用恒流充电方式充电；当充电电池两端电压达到设定的阈值电压时，采用恒压模式充电，当充电电视的电压达到设定的浮冲电压时候，充电自动停止。

2.系统硬件设计

2.1 BUCK DC/DC降压型电路

由于太阳能电池的输出电压受多种因素的影响，因此系统中引入了基于AVR单片机的PWM控制方案的DC/DC转换器，来实现光伏-充电电池的能量控制系统，通过改变PWM的占空比，来改变电路的电流电压。智能小车采用的光伏组件为12V/15W规格，镍氢充电电池采用8.4V规格，因此选用Buck降压式DC/DC转换电路。具体电路如图2所示：

图2 BUCK电路

其中，MOSFET管采用IRF540 N沟道的MOS管，其内阻小于77，续流二极管采用肖特基二极管IN5822，此快恢复二极管的反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。电感L采用环形磁芯来绕制，计算结果电感值为75μH，取80μH，输出电容取25v1200μF。

2.2 MOSFET驱动电路的设计

MOSFET驱动需要5～10V的电压，Atmega128的输出电压为5V，不能饱和导通MOSFET管，因此采用IR2101半桥驱动芯片，VCC电压由充电电池提供。IR2101是专门用来驱动耐高压高频率的N沟道MOSFET和IGBT，它是一个8管脚的芯片，门极提供的电压范围是10～20V。Atmega128单片机产生的PWM波，经过IR2101芯片，在芯片的5管脚输出的开关信号接到MOSFET的门极G端，控制BUCK电路。驱动电路如图3所示：

图3 IR2101驱动电路

2.3 采样电路

控制器中主要有四路采样信号：充电组件的输出电压、电流，蓄电池电压、电流。其中电压采样信号通过高阻值的精密电阻分压得到，电流采样电路利用霍尔电流传感器ACS712将电流信号转换为电压信号。ACS712是Allegro公司新推出的一种线性电流传感器，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压，其测量精度符合本系统的要求，具有低噪声，响应时间快。

系统选用的Atmeag128单片机，内部集成了高速10位A/D转换器，采集的4路信号输入到单片机的AD转换引脚，通过转换，获取电压值，并计算出相应的电流值，防止蓄电池的过放或者过充。

3.系统的软件设计

ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATme-ga128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz。包括6路分辨率可编程（1到16位）的PWM，8路10位ADC。

系统上电后，调入初始参数，设定系统的工作状态。智能小车的通过光敏电阻来检测太阳的方位角，并控制电机调整太阳能电板的方位，实现最高效的太阳能利用。同时，通过对太阳能电板的电压、电流以及蓄电池的电压、电流的实时监测和分析，来决定太阳能极板是否对蓄电池进行充电。其软件程序的流程如下：

图4 充电模块流程图

4.调试

在良好光照的情况下，实验太阳能板测试数据如下所示，充电效率提高30～35%。具体数据如表1所示：

5.结论

本文以Atmega128作为主控芯片，通过PWM信号控制BUCK的MOS管的通断实现充电电压、电流的实时监测和控制，实现了双阶段的充电方式，系统转换效率高，同时能有效的保护充电电池，提高了充电效率和充电电池的使用寿命。

参考文献

[1]杨晓光，汪友华，丁宁，寇臣锐.太阳能LED路灯照明系统的研制[J].电工技术学报，2010（06）：130-131.

[2]周其进，王冰.基于MC9S12的车载智能光伏充电器的设计[J].计算机测量与控制，2010（04）：868-869.

[3]孙向东，张琦，吴迎丰，钟彦儒，任碧莹.一种用于光伏发电系统的Buck和Boost组合变换器研究[J].西安理工大学学报，2011（01）：12-13.

[4]郑鹏程，石玉，周立文，谢飞燕.基于MATLAB的DC/DC变换器设计与闭环仿真[J].磁性材料及器件，2011（04）：63-64.

[5]陈尚伍，陈敏，钱照明.高亮度LED太阳能路灯照明系统[J].电力电子技术，2006，40（6）：43-45.

[6]孙佩石，陶磊.带有最大功率点跟踪功能的光伏充电器[J].可再生能源，2003（5）：18-20.

[7]赵宏，潘俊民.基于Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪系统[J].电力电子技术，2004，38（7）：55-57.

buck电路范文第5篇

【关键词】光伏发电；冷热电联供；余热回收；最大功率跟踪

Household Photovoltaic Cchp System

WU Tong LIN Pai-yu CHEN Kai FENG Bao-gang ZHENG Xin-ming

（School of Electrical Power， South China University of Technology， Guangzhou Guangdong 510640， China）

【Abstract】The research studied and designed a system of household photovoltaic CCHP using the solar energy as the main resource. It includes： 1） In the energy side， we studied and applied MPPT（Maximum Power Point Tracking） maximum power tracking photovoltaic to improve the utilization of solar energy； 2）the intermittent solar-based and non-controllable， in accordance with certain rules of charging and discharging， we designed a charge controller， real-time high-efficiency battery charging； 3）simulation using semiconductor refrigeration for cooling and heating； 4）on the load side of the system for real-time intelligent detection， mainly in detecting the temperature and level of the water in the water tank under the photovoltaic panels. Hot and cold water supply tank water temperature， water level， realization of waste heat recovery system to control the water system， to achieve energy cascade utilization； 5） set up an experimental model， experiment and achieve a good result.

【Key words】Photovoltaic； Waste heat recovery； Energy cascade utilization； MPPT； CCHP

0 引言

能源短缺、环境极度恶化已成为影响世界各国发展的重要因素。科学家预测，到2030年左右，全世界的化石燃料将消耗殆尽；我国目前建筑耗能约占全国能源消耗量的27%，[2]建筑节能在整个节能工作中占有重要地位。因而寻找、发展新能源以及提高能源的利用效率已经成为世界各国发展的关键问题。

建筑冷热电联供系统（BCHP）是一种建立在能源的梯级利用概念基础之上，将制冷、供热（采暖和供热水）及发电过程一体化的多连产总能系统。对于传统的独立能量供应系统来说，能源的利用效率一般不超过50%，而BCHP对能源的利用效率则可达80%；若现有建筑的8%使用BCHP的、新建建筑的50%使用BCHP的话，到2020年，CO2的排放量将减少20%[1]。可见，冷热电联产系统在大幅度提高能源使用效率及降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力。美国、日本、英国等的建筑冷热电联供技术已相当成熟，冷热电联产技术广泛用于学校、超市、大型写字楼等的采暖、制冷、生活热水供应和部分电力供应。然而，这些系统的一次能源绝大部分为天然气，属于传统能源。若将光伏发电技术与冷热电联供系统合二为一，形成以太阳能为主要能源的独立建筑冷热电联供系统，则可以有效减少化石燃料的使用、温室气体的排放和能源的消耗。因此，本课题提出以太阳能为主要能源，研究户用光伏冷热电联供系统。

1 系统介绍

图1 户用光伏冷热电联供系统结构概图

本系统的基本组成结构如图1所示。系统的主要硬件组成是光伏电池板、Buck降压电路、半导体制冷器、加热器、冷热水箱、LED电灯、直流水泵、蓄电池、余热回收装置以及单片机自动控制器。电力供应端，由具有MPPT最大功率点跟踪功能的充电控制器实现太阳能电池板向蓄电池最大效率充电；蓄电池通过二级降压Buck电路对各个负载供电 ；冷热联供主要通过水循环系统实现，系统在光伏电池板下设计有水箱，不仅可以有效利用光伏电池板的余热，而且可以为光伏电池版降温从而使电池板工作在最适宜温度环境下。采用半导体制冷器，应用“热电效应”，实现冷热水联供。系统基于单片机设计了温度测控系统，分别测量热水箱水温以及光伏电池板集热水箱温度，当热水箱水温低于设定值时，加热器自动启动加热，当电池板集热器温度高于设定值时，水泵启动实现强制水循环。系统能量流及控制流如图2所示。

图2 户用光伏冷热电联供系统原理概图

2 关键技术以及解决方案

系统中关键技术在于：

（1）太阳能的高效利用：随着光照强度、温度以及负载特性的变化，光伏电池的输出功率随之变化，输出功率不稳定。研究最大功率点跟踪（MPPT），以获取光伏电池的最大功率输出，从而最大限度的利用太阳能。

（2）由于太阳能的不稳定性、间断性和不可控性，系统配入蓄电池作为储能元件，如何给给蓄电池充电，实现最优充电，亦是本课题的另一重点

（3）冷热联供：本课题采用半导体制冷器实现冷热联供。应用其冷端对水制冷，并收集其热端热量，用于水的加热。

（4）余热利用。通过基于单片机的自动水循环系统以及光伏电池板集热器、半导体制冷器散热装置，以水为介质充分吸收系统产生的余热，达到能源梯级利用的目的。

基于上述分析，具体设计如下：

2.1 光伏电池的最大功率跟踪

光伏电池与其负载有一个最佳的匹配点，当二者匹配时，光伏电池将工作在最大功率点上，既能够输出的最大功率。光伏电池随着外界环境的改变，其输出的特性发生改变，如果光伏电池没有工作在与之匹配的工作点上，将会造成能量的损失。解决这一问题的途径就是最大功率点跟踪（MPPT）。它是能够实时检测光伏阵的输出功率，采用一定的算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来使太阳能电池板输出工作在最大功率点上。

本系统采用扰动观察法实现了MPPT控制。[3]扰动观察法（P&O，Perturbation and observation） 扰动观测法通过选定一定的D初值以及适当的占空比调整值 D达到逐步逼近最大功率点的目的。检测当前时刻的电压、电流值Un、In，计算此时的输出功率Pn=Un*In，先通过增加PWM占空比来增加一个电压扰动值，再次检测电压、电流值Un+1、In+1。计算Pn+1=Un+1*In+1，然后与前一功率值Pn进行比较。本方法中占空比的变化与功率值变化的关系为：①D增加时，P增加，则应让D进一步增加 D；②D增加时，P减小，则应让D减小 D；③D减小时，P增加，则应让D进一步减小 D；④D减小时，P减小，则应让D增加 D。算法流程图如图3所示：

图3 扰动观测法算法流程

2.2 基于TL494的Buck电路设计

图4 基于TL494的Buck电路原理图

在本课题中，光伏电池板输出电压等级为24v，而冷热电联供系统各负载的电压等级均为12v及以下，电压等级不合；另外各个负载的运行状态根据具体需求而定，并不一定时刻工作在额定电压下。故必须设计Buck（降压可调电路）电路来实现光伏电池板与冷热电联供系统的连接。

我们设计的基于TL494芯片PWM调制式的Buck电路原理图如图4所示：

1脚为反馈电压输入端，通过5.1K电阻接入电压输出端，反馈电压由R10和R11调节；

3 脚所接的0.1u 电容及47K、1.0M 电阻是斜率补偿为了增加电路的稳定性。震荡频率由C2和R2决定，fosc=2.34×10^2Hz；

8脚输出PWM波通过R1和R3加于MOS管GS两端，从而控制MOS的通断。

C1和C5均为滤波电容；

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

fosc=1.1/（CT*RT ）

整个电路的原理是：开关元件MOS由TL494芯片的输出脉冲控制，假设在t=时，驱动MOS导通，电源E向负载供电，二极管截止，电容C5处于充电状态，电感L处于储能状态，负载电流I0成指数上升。当t=t1时，控制MOS关断，由于电感电流IL无法瞬时变化，故电感将释放储能，使负载电流缓慢下降，二极管起到续流作用，电容处于放电状态，负载电流缓慢下降。至一个周期T结束，再驱动MOS导通，重复上述过程，当电路工作于稳态时，

U0=ton/（ton+toff）E=αE

式中，ton是导通时间，toff是断开时间，α为导通占空比。

2.3 余热回收系统的设计方案

本课题所设计的余热回收系统主要由光伏电池板集热器，半导体制冷器散热装置，水箱，直流水泵组成，整个系统以水作为冷却介质，利用直流水泵通过水循环系统将冷水箱的水注入光伏电池板和半导体制冷器的散热装置中，将光伏电池板和半导体制冷器所排放的多余热量通过水收集，最后流回热水箱里加以利用。

光伏电池板集热器采用以水为介质的封闭强制循环冷却方式，在光伏电池板背面加装集热管、通道等结构，通过直流水泵把水箱中的水透过连接阀门泵入封闭管道中，太阳能电池板中的热量经集热管传导到水中，多余热量得到充分利用。结构如图5[4]所示：

图5 太阳能电池板集热器

半导体制冷器散热装置采用水冷散热系统进行余热回收，如图6所示，[5]在半导体的热端安装吸热片、肋片和通道等结构，然后利用直流水泵将冷水箱的水泵入通道中，最后再流回热水箱中，使余热充分利用。之所以利用水作为散热介质，是因为该介质容易获得可循环利用且对环境无污染。可以通过增加水道数量的方式 提高散热能力，是一种较为实用的散热方式。

图6 水冷散热系统结构图

2.4 基于51单片机的冷热电联供系统智能控制电路设计

控制思想：冷热电联供系统中，各个负载需要根据系统的实时监测状态改变自身工作状态，以满足用户需求并使系统的工作效率最大化。本课题以水温作为系统实时监测对象，设定上下限温度TH和TL，当水箱中的热水区的水温低于下限温度TL时，通过继电器启动加热棒电路，加热水箱中的水，以满足用户需求，当高于设定温度TH时，断开加热棒回路。另一方面，以相同原理设计另一个电路，区别在于：当光伏板下的的水温高于上限温度TH时，通过继电器启动直流水泵，将水箱冷水区中的水泵入到水循环系统中，余热回收系统开始工作，系统的多余热量被回收，当水温下降到TL以下时，断开直流水泵。

本课题所研究的基于51单片机的冷热电联供智能控制电路硬件组成部分为：主控电路、液晶显示电路、温度采集电路、报警电路，继电器控制电路。

采用STC89C52RC单片机做为本课题的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS 8位单片机。STC89C52RC单片机具有以下几个性能特点：4 k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。

系统流程图如图7所示：

根据上述的原理以及参数，我们制作了基于TL494芯片的Buck电路，基于51单片机的智能控制电路，并购买其他相应器件搭建整个系统，如图8所示。系统搭建完成后，我们先后对光伏电池板输出电压、MPPT充电控制器输出功率、Buck电路驱动波形以及输出电压，分别进行了测量与分析。

图9 电池板输入电压

从测试结果可以看出，光伏电池在正常工作时的输出电压为20.4-21.0V，经MPPT调整后为20.4-21.6V，蓄电池处于充电状态，光伏电池端电流值为5.28A。输出功率接近额定输出功率，

考虑天气以及日照因素等造成误差，MPPT控制器的工作情况良好。

图10 Buck电路驱动波形

图10所示的Buck电路驱动波形是通过测量TL494芯片的8脚输出波形而得的，Buck电路两端的输出电压大小为9.2-10.4v。另外输出电压可以通过Buck电路上的两个可调电阻之比来调节，满足设计要求。

实验分析与结论结论：

1）在负载总功率不变且阳光充足气温31℃左（下转第288页）（上接第274页）右的环境条件下，通过温度传感器测量到的加入余热回收装置后的光伏电池板以及半导体制冷器热端的温度分别在40℃～53℃和35℃～38.5℃之间，没有加入余热回收装置的光伏电池板和半导 体制冷器热端温度在45℃～50℃和38℃～42℃之间，比较试验表明系统发出的多余热量得到了一定程度的利用。

2）在不同的日照条件下，光伏电池板的输出功率变化较大，但在MPPT控制器的作用下，始终控制在最大功率点上。当光伏电池板输出功率不足时，由蓄电池进行供电，当光伏电池板输出功率过量时，对蓄电池进行充电。

3）整个系统还有待优化，由于实验设备不够精确，测量仪器也有所误差，无法对系统各个部分的性能进行完整的测试分析，半导体制冷器的余热回收效果不明显。

【参考文献】

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[5]张海涛，王子龙，张华.聚光型光伏电池的冷却方式[J].能源工程，2010，05：37-41.

[6]蔡德坡.半导体制冷热端的分析与实验研究[D].南昌大学，2010.

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