buck電路
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buck電路范文第1篇
關(guān)鍵詞：buck 非隔離 準諧振 谷點檢測
中圖分類號：F02 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0010-02
發(fā)光二極管作為光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長三大優(yōu)勢。近年來發(fā)展起來的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工業(yè)與民用照明系統(tǒng)、汽車燈具等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。因此，LED的推廣應(yīng)用對能源緊缺的世界各國具有十分重要的意義[1-2]。
LED應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是提供與其特性相適用的電源或驅(qū)動電路。隨著對LED照明要求的提高，LED照明對其驅(qū)動電源的要求也越來越高。對整燈光效的要求促使LED驅(qū)動電源必須具有較高的效率。另外，高功率因數(shù)也成為LED驅(qū)動電源必須具備的要求。由于安裝的要求，LED照明又對其功率密度提出了較高的要求[3-6]。針對上述LED驅(qū)動要求，該文提出了基于BUCK電路非隔離LED驅(qū)動電源方案。該方案具有以下優(yōu)點（1）沒有光耦且工作頻率較高，因此整個電路更加簡單，具有更高的功率密度。（2）具有較高的功率因數(shù)。（3）反饋電路工作在準諧振的工作模式，使整個電路具有更高的效率。
1 基于Buck變換器的PFC機理
1.1 拓撲結(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
圖1為Buck PFC電路，Lf、Cf起濾波作用。為了簡化分析，假設(shè)：a）電路工作在穩(wěn)定態(tài)；b）所有元器件是理想的；c）電容Cout足夠大保證輸出電壓恒定；d）在一個開關(guān)周期內(nèi)輸人電壓是常數(shù)。
1.2 拓撲結(jié)構(gòu)和電路工作狀態(tài)
設(shè)輸人工頻交流電壓為：
（1）
其中VP為輸人工頻交流電壓幅值。為輸人工頻交流電壓的角頻率。
當開關(guān)S導(dǎo)通時，流過開關(guān)S的電流iS，等于流過電感L的電流iL。
（2）
此處D為開關(guān)的導(dǎo)通比，TS為開關(guān)周期，t’為一個開關(guān)周期內(nèi)的時間。因此，在每個開關(guān)周期開關(guān)電流的平均值為：
（3）
圖1中濾波電感電容Lf，Cf實現(xiàn)平均。
當D較小時，（3）式可以近似表示為：
（4）
可見交流輸人電流與電壓幾乎同步，且輸入電流近似為正弦，功率因子接近1。
對于連續(xù)工作模式的BUCK變換器，當開關(guān)S導(dǎo)通時，電感和開關(guān)電流為：
（5）
輸入電流Iin即開關(guān)S在一個開關(guān)周期的平均電流為：
（6）
可見輸入電流始終有一個直流偏移量，這時功率因子將明顯降低。
1.3 臨界電感
由式（2）可見，在一個開關(guān)周期電感電流峰值（即開關(guān)電流峰值）為：
（7）
一個開關(guān)周期輸入能量為：
（8）
一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸入功率為：
（9）
半個工頻周期內(nèi)的平均輸入能量為：
（10）
因此從交流電網(wǎng)吸取的平均功率為：
（11）
平均功率為：
（12）
由于輸入和輸出功率必須保持平衡，考慮到變換器的效率?，可以得出：
（13）
因此臨界電感為：
（14）
當Buck變換器用于功率因數(shù)校正時，其電感量應(yīng)小于LB，以保證較高的功率因數(shù)。
2 準諧振谷點開通技術(shù)
開關(guān)波形如圖2所示，輸出電流波形可以用式15表示：
（15）
其中IPK 是電感峰值電流，TEFF是電感電流上升和下降有效時間，tS是開關(guān)周期。
準諧振模式為Buck變換器提供了更低的開通電壓損耗。因此整個變化器具有更高的效率。（見圖3）
3 實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果
以輸入176Vac～264Vac，輸出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等為例設(shè)計樣機。
3.1 穩(wěn)態(tài)工作波形
輸入176Vac和264Vac的工作波形圖分別如圖4和圖5所示。
3.2 效率測試
效率隨輸入電壓的變化曲線如圖6所示。
3.3 基本參數(shù)設(shè)計
穩(wěn)態(tài)時基本參數(shù)測量結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)語
該文提出的基于Buck電路非隔離的LED驅(qū)動電路工作在準諧振模式，且控制電路具有谷點檢測功能，因此與一般的BUCK電路相比該驅(qū)動電源具有更高的效率。實驗結(jié)果表明了該驅(qū)動電源具有較高的效率和功率因數(shù)。驗證了該LED驅(qū)動電源的可行性與有效性。
參考文獻
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[3] 嚴百平，劉樹林，陳治明.Buck變換器實現(xiàn)PFC的機理及其仿真[J].電氣傳動自動化，1998，20（4）：68-71.
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buck電路范文第2篇
關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全準Z源Buck變換器 輸出保護
【中圖分類號】TM46
1 引言
目前我國仍以煤炭作為主要能源，而煤礦井下含有甲烷及其同系物（乙烷、丙烷和丁烷）、氫氣等爆炸性氣體 ；另一方面煤礦井下濕度大、空間有限、通風效果差、電氣設(shè)備工作地點分散、電磁干擾強烈等因素，這對井下的電氣設(shè)備提出更高的要求。本質(zhì)安全開關(guān)電源比之普通線性電源具有效率高、體積小、重量輕、電網(wǎng)電壓波動適應(yīng)能力強等優(yōu)點，其應(yīng)用于煤礦井下等一些危險的環(huán)境中有著廣闊的前景，因此，對本質(zhì)安全開關(guān)電源的研究具有重要意義。
本質(zhì)安全開關(guān)電源通常在其輸出端增加保護電路，用以抑制輸出短路/開路故障時的火花放電能量，使其在含有爆炸性氣體的危險環(huán)境中依然能安全工作。
為了能有效地抑制開關(guān)電源輸出短路/開路故障時的火花放電能量，文獻[1]提出了一種增加Z源網(wǎng)絡(luò)的本安型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成：開關(guān)電源、Z源網(wǎng)絡(luò)和安全柵保護電路。開關(guān)電源將煤礦通用127V交流電轉(zhuǎn)換成電氣設(shè)備所需穩(wěn)定直流電壓，Z源網(wǎng)絡(luò)通過電感限制輸出短路時的電容釋能速度，同時利用電容限制輸出開路時的電感釋能速度，與快速安全柵保護電路相配合，有效地減小火花放電能量，提高電源的本安性能。本文基于文獻[2]提供的設(shè)計思路，設(shè)計并制作了實用電路，驗證了該理論的正確性與實用性。本文根據(jù)具體需要，設(shè)計的本安電源輸出為12V直流電壓。
2 開關(guān)電源的設(shè)計
開關(guān)電源實現(xiàn)了AC-DC轉(zhuǎn)換功能，包含工頻變壓器、二極管整流電路、Buck電路三大部分。如圖2所示，工頻變壓器輸入1 交流、輸出2 交流；工頻變壓器的輸出級接由四個二極管組成的單相橋式不可控整流電路，根據(jù)負載的情況合理配置電容可實現(xiàn)輸出直流電壓2；本文應(yīng)用LM2576-ADJ及其電路組成Buck電路，合理設(shè)置反饋電阻使輸出電壓Uo穩(wěn)定在12V。
為滿足輸出電壓12V，選用LM2576-ADJ芯片，在圖3所示內(nèi)部原理圖中，該芯片內(nèi)部含有1.235V基準電壓和一個固定頻率52KHz振蕩器，同時具有熱關(guān)斷電路和電流限制電路，開路、，反饋電阻由外部提供，如圖4所示，通過配置接于4管腳的R和W兩個電阻阻值，調(diào)節(jié)輸出電壓值，此結(jié)構(gòu)構(gòu)成了電壓閉環(huán)，當輸出電壓大于額定值時，4管腳采樣電壓高于1.235V，使芯片輸出PWM波的占空比減小，電壓減小，反之同理。
3 Z源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計
在上述常規(guī)Buck電路基礎(chǔ)上，加入Z源網(wǎng)絡(luò)，可得到如圖5所示的基于準Z源的輸出本安型Buck變換器的一種拓撲實現(xiàn)。準Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感L1可有效限制輸出短路時濾波電容C向短路點釋放能量的速度；電容C1可有效限制輸出開路時的電感L1電壓的上升，防止輸出端開路時電感L1在輸出端產(chǎn)生高電壓電弧點燃瓦斯；二極管VD1可防止輸出端短路時電容C與C1形成放電通路。
從電路拓撲形態(tài)看，相當于準Z源網(wǎng)絡(luò)代替了常規(guī)Buck變換器的LC濾波網(wǎng)絡(luò)。當電源輸出端發(fā)生短路或開路故障時，輸出短路放電電流的增長被有效地抑制，有效地延緩了開關(guān)電源濾波電感、濾波電容向輸出故障點的釋能，從而減小輸出短路故障時的瞬時放電功率。適當選擇準Z源網(wǎng)絡(luò)L1C1參數(shù)值，有效延緩輸出故障時變換器儲能電感、濾波電容的釋能速度，與快速安全柵保護電路相配合，便可有效地減小故障時的火花放電能量，進而提高本安電源的本質(zhì)安全性能。
4 截止型輸出短路保護電路的設(shè)計
在輸出保護電路部分，參照文獻[4]，本文選用截止型輸出短路保護電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，短路檢測電路檢測輸出電壓送往比較器，當輸出電壓降低到低于給定值時，判定發(fā)生短路，比較器輸出高電平。由于開關(guān)變換器在啟動期間輸出電壓較低，為防止短路保護電路誤動作，設(shè)置了一個啟動延時電路，該啟動延時電路由變換器輸入電壓的上升沿或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的下跳沿觸發(fā)，觸發(fā)后使邏輯與門封鎖，此時即使比較器輸出為高電平保護電路也不動作，延時時間到后邏輯與門解封。當在開關(guān)變換器正常工作中檢測到輸出短路時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被迅速觸發(fā)，經(jīng)驅(qū)動電路使開關(guān)變換器的功率開關(guān)管迅速關(guān)斷，輸入電源被徹底切斷，單穩(wěn)電路延時一段時間后，如果短路故障消除，電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。啟動延時電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器確保了該截止型輸出短路保護電路能夠?qū)崿F(xiàn)自恢復(fù)。
低壓限流保護電路正常情況下處于封鎖狀態(tài)，當輸出電壓降低到低于給定設(shè)定值時，低壓限流保護電路解封，此時若檢測到變換器的輸出電流高于設(shè)置值，低壓限流保護電路立即通過驅(qū)動電路關(guān)斷變換器的功率開關(guān)管，避免了在長時間輸出短路情況下，因自恢復(fù)而造成的向短路處傳輸較大電流的問題。安全柵保護電路動作時間極短，一般從輸出發(fā)生故障到開關(guān)管徹底關(guān)斷的時間僅為1～2s。
5 實驗結(jié)果及分析
圖8為該準Z源Buck變換器輸出短路電壓、電流波形圖，由圖可看出：當輸出端未發(fā)生短路時，電壓輸出為12V，當其輸出端突然短路時，輸出電流上升，截止型輸出保護電路起作用時，輸出電流迅速下降，最后輸出電壓與電流均減至零，整個過程不超過8us。
6總結(jié)
準Z源Buck變換器可以有效地延緩輸出端短路或開路時變換器向短路/開路故障點的釋能速度，與截止型輸出保護電路相配合，可以有效地減小火花放電能量，提高電源的本安特性。本文通過實際電路及實驗現(xiàn)象，驗證了Z源對電源本安特性的提高效果。
參考文獻
[1] 程紅，王聰，盧其威，等.具有火花能量延緩釋能電路的本安電源。華人民共和國發(fā)明專利.201010257405.5.2011.07.27.
[2] 王兆安，劉進軍。電力電子技術(shù)，第5版，北京：機械工業(yè)出版社，2009.5.
buck電路范文第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.
關(guān)鍵詞：交錯并聯(lián)；Buck；DC/DC；均流
Key words： staggered parallel；Buck；DC/DC；current sharing
中圖分類號：TG434.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0226-02
0 引言
在多相交錯并聯(lián)的低壓大電流的開關(guān)電源中，如果各個模塊之間采取直接并聯(lián)的方式，會出現(xiàn)電流分布不均勻的問題，為了解決這個問題，需要采取措施來使得各相之間的電流均衡的分配，同時，也可以使得各模塊間的電壓和電流的應(yīng)力均衡的分配。在開關(guān)電源的設(shè)計過程中，為了使各個模塊之間能夠平均的分配電流，因此提出了均流技術(shù)。
1 均流方案的確定
在開關(guān)電源中應(yīng)用均流技術(shù)，首要的原因是有很好的均流的效果，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的均流效果；其次是可以使得并聯(lián)的電源系統(tǒng)穩(wěn)定，包括電流環(huán)和電壓環(huán)的穩(wěn)定。同時達到這兩個效果，開關(guān)電源才能穩(wěn)定的、可靠的工作。
直流開關(guān)電源的并聯(lián)經(jīng)常采用的均流方法有：主從設(shè)置法、最大電流自動均流法、外部控制電路法、下垂法及平均電流型自動均流法。
以上介紹的5種均流方法各有優(yōu)、缺點，因此，選擇合適的均流方案就變得十分重要。根據(jù)各模塊之間是否相互聯(lián)系，均流方法可以被分成兩個大類：有源法和下垂法。采用均流母線，各模塊之間有互相聯(lián)系的均流方法，我們稱之為有源法，如圖1所示；各模塊之間不存在母線，沒有相互聯(lián)系的均流的方法，我們稱之為下垂法，如圖2所示。
隨著CPU的迅速發(fā)展，對其供電的電源要求電壓越來越低，而電流要求越來越大。為了滿足其可靠性高的要求，通常需要多個模塊并聯(lián)，下垂的控制方法，稱為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)方法，它利用輸出電壓隨輸出電流反向變化的特性，來實現(xiàn)阻抗的變化，以此來實現(xiàn)各模塊的均流，有一定的均流效果，但只適用于電源要求不高的場合。有源法主要是由均流母線或控制方法組成的。均流母線是用來提供電流基準值，控制方法則是用來調(diào)節(jié)輸出電壓，此方法可以使各模塊之間電流誤差減小，提高調(diào)整率和均流的精度。綜上所述，在文章的設(shè)計中采用無均流線的自動均流方法。
1.1 主電路
主電路采用四個Buck電路并聯(lián)的形式，單個模塊主電路參數(shù)為：輸入電壓7.2V，輸出電壓1.8，輸出電流25A，電路工作在連續(xù)的模式，工作頻率200kHz，濾波電感1.35μH，輸出負載電阻為2mΩ，輸出濾波電容12500μF，輸出電壓紋波0.02V。
1.2 控制電路
通過PWM控制芯片HIP6303和HIP6602B為Buck電路并聯(lián)模塊提供了一個精確的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，滿足了電流不斷增長的需求，通過電壓的調(diào)節(jié)，使得各路電流均勻分配，通過過電流的保護，實現(xiàn)多個通道的自動選擇。HIP6602B屬于雙溝道控制器，可以同時驅(qū)動上管和下管，上管通過一個自舉電路，防止了兩管的直通現(xiàn)象。
實驗中采用HIP6602B和HIP6303作為Buck電路并聯(lián)模塊的驅(qū)動電路，HIP6303可以得到四路互差的脈寬調(diào)制波，通過兩個HIP6602B，從而形成四路脈寬調(diào)制脈沖，用來驅(qū)動Buck電路并聯(lián)模塊。為了降低損耗，在電路的設(shè)計過程中，采用了損耗較低MOSFET作為續(xù)流管。在VID0～VID4端輸入二進制編碼“0、1”，作為芯片的基準電壓。HIP6602B和HIP6303組成的控制電路如圖3所示。
2 實驗結(jié)果
通過對四個并聯(lián)模塊進行分析驗證，來實現(xiàn)四個Buck電路并聯(lián)均流開關(guān)電路的輸出。對輸出電路進行仿真如圖4所示。仿真結(jié)果如圖5所示。
通過實驗仿真結(jié)果分析，證明了該方法可以獲得很好的均流效果，證明了該方法的可行性，從實驗可以得出如下結(jié)論：
①這種無均流線的控制方法比較有效，可以很方便的實現(xiàn)均流的效果。
②控制方法相對簡單。
參考文獻：
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[3]D.M Mitchell.DC-DC Switching Regulator Analysis[J].McGraw-Hill Book Company，1988.
buck電路范文第4篇
【關(guān)鍵詞】Atmega128；充電控制；PWM；BUCK
近年來，石油資源日漸枯竭，且石油能源的開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞，因此可持續(xù)發(fā)展、綠色能源的利用日漸成為人類急需解決的問題。太陽能作為一種綠色可再生能源，開始得到了廣泛的利用[1]。當今，各國純電動汽車的研究開發(fā)不斷升溫，我國多個汽車廠商開發(fā)了具有商業(yè)化的純電動汽車。近年來，各科研院所對太陽能汽車技術(shù)進行了深入了的研究[2]，本論文以太陽能智能小車為應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計了一套基于智能小車的太陽能充電控制系統(tǒng)。
1.太陽能智能小車控制系統(tǒng)框圖
智能小車由于采用太陽能實現(xiàn)供電，因此能實現(xiàn)全天候工作。智能小車通過其驅(qū)動系統(tǒng)，能隨時調(diào)整方位，采用最大功率跟蹤（MPPT）技術(shù)提高太陽能發(fā)電效率。由于太陽能電池的輸出電壓隨時間而變化，因此不能直接給智能小車供電，也不能直接儲存到蓄電池中，因此，太陽能充電控制器在太陽能充電系統(tǒng)中起著重要的作用。
Atmega128單片機采用通過控制算法，通過實施檢測充電電壓、電流，調(diào)整PWM波形，控制MOSFET的通斷，改變BUCK電路來調(diào)整輸出電壓。為了保證輸出電壓的穩(wěn)定，系統(tǒng)對輸出電壓、電流進行采樣，通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，與參考值進行比較，調(diào)整PWM的反饋值。其控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示：
圖1 智能太陽能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)采用兩段式充電模式，為了保證充電電池不過充，單片機設(shè)定了閾值充電電壓，當充電電池兩端電壓未達到閾值電壓時候，太陽能采用恒流充電方式充電；當充電電池兩端電壓達到設(shè)定的閾值電壓時，采用恒壓模式充電，當充電電視的電壓達到設(shè)定的浮沖電壓時候，充電自動停止。
2.系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 BUCK DC/DC降壓型電路
由于太陽能電池的輸出電壓受多種因素的影響，因此系統(tǒng)中引入了基于AVR單片機的PWM控制方案的DC/DC轉(zhuǎn)換器，來實現(xiàn)光伏-充電電池的能量控制系統(tǒng)，通過改變PWM的占空比，來改變電路的電流電壓。智能小車采用的光伏組件為12V/15W規(guī)格，鎳氫充電電池采用8.4V規(guī)格，因此選用Buck降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路。具體電路如圖2所示：
圖2 BUCK電路
其中，MOSFET管采用IRF540 N溝道的MOS管，其內(nèi)阻小于77，續(xù)流二極管采用肖特基二極管IN5822，此快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間短，反向恢復(fù)電荷少，并具有軟恢復(fù)特性。電感L采用環(huán)形磁芯來繞制，計算結(jié)果電感值為75μH，取80μH，輸出電容取25v1200μF。
2.2 MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計
MOSFET驅(qū)動需要5～10V的電壓，Atmega128的輸出電壓為5V，不能飽和導(dǎo)通MOSFET管，因此采用IR2101半橋驅(qū)動芯片，VCC電壓由充電電池提供。IR2101是專門用來驅(qū)動耐高壓高頻率的N溝道MOSFET和IGBT，它是一個8管腳的芯片，門極提供的電壓范圍是10～20V。Atmega128單片機產(chǎn)生的PWM波，經(jīng)過IR2101芯片，在芯片的5管腳輸出的開關(guān)信號接到MOSFET的門極G端，控制BUCK電路。驅(qū)動電路如圖3所示：
圖3 IR2101驅(qū)動電路
2.3 采樣電路
控制器中主要有四路采樣信號：充電組件的輸出電壓、電流，蓄電池電壓、電流。其中電壓采樣信號通過高阻值的精密電阻分壓得到，電流采樣電路利用霍爾電流傳感器ACS712將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。ACS712是Allegro公司新推出的一種線性電流傳感器，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓，其測量精度符合本系統(tǒng)的要求，具有低噪聲，響應(yīng)時間快。
系統(tǒng)選用的Atmeag128單片機，內(nèi)部集成了高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，采集的4路信號輸入到單片機的AD轉(zhuǎn)換引腳，通過轉(zhuǎn)換，獲取電壓值，并計算出相應(yīng)的電流值，防止蓄電池的過放或者過充。
3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計
ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATme-ga128的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz。包括6路分辨率可編程（1到16位）的PWM，8路10位ADC。
系統(tǒng)上電后，調(diào)入初始參數(shù)，設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。智能小車的通過光敏電阻來檢測太陽的方位角，并控制電機調(diào)整太陽能電板的方位，實現(xiàn)最高效的太陽能利用。同時，通過對太陽能電板的電壓、電流以及蓄電池的電壓、電流的實時監(jiān)測和分析，來決定太陽能極板是否對蓄電池進行充電。其軟件程序的流程如下：
圖4 充電模塊流程圖
4.調(diào)試
在良好光照的情況下，實驗太陽能板測試數(shù)據(jù)如下所示，充電效率提高30～35%。具體數(shù)據(jù)如表1所示：
5.結(jié)論
本文以Atmega128作為主控芯片，通過PWM信號控制BUCK的MOS管的通斷實現(xiàn)充電電壓、電流的實時監(jiān)測和控制，實現(xiàn)了雙階段的充電方式，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高，同時能有效的保護充電電池，提高了充電效率和充電電池的使用壽命。
參考文獻
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buck電路范文第5篇
【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；冷熱電聯(lián)供；余熱回收；最大功率跟蹤
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、環(huán)境極度惡化已成為影響世界各國發(fā)展的重要因素。科學(xué)家預(yù)測，到2030年左右，全世界的化石燃料將消耗殆盡；我國目前建筑耗能約占全國能源消耗量的27%，[2]建筑節(jié)能在整個節(jié)能工作中占有重要地位。因而尋找、發(fā)展新能源以及提高能源的利用效率已經(jīng)成為世界各國發(fā)展的關(guān)鍵問題。
建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（BCHP）是一種建立在能源的梯級利用概念基礎(chǔ)之上，將制冷、供熱（采暖和供熱水）及發(fā)電過程一體化的多連產(chǎn)總能系統(tǒng)。對于傳統(tǒng)的獨立能量供應(yīng)系統(tǒng)來說，能源的利用效率一般不超過50%，而BCHP對能源的利用效率則可達80%；若現(xiàn)有建筑的8%使用BCHP的、新建建筑的50%使用BCHP的話，到2020年，CO2的排放量將減少20%[1]。可見，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在大幅度提高能源使用效率及降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力。美國、日本、英國等的建筑冷熱電聯(lián)供技術(shù)已相當成熟，冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)廣泛用于學(xué)校、超市、大型寫字樓等的采暖、制冷、生活熱水供應(yīng)和部分電力供應(yīng)。然而，這些系統(tǒng)的一次能源絕大部分為天然氣，屬于傳統(tǒng)能源。若將光伏發(fā)電技術(shù)與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)合二為一，形成以太陽能為主要能源的獨立建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，則可以有效減少化石燃料的使用、溫室氣體的排放和能源的消耗。因此，本課題提出以太陽能為主要能源，研究戶用光伏冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)介紹
圖1 戶用光伏冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概圖
本系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的主要硬件組成是光伏電池板、Buck降壓電路、半導(dǎo)體制冷器、加熱器、冷熱水箱、LED電燈、直流水泵、蓄電池、余熱回收裝置以及單片機自動控制器。電力供應(yīng)端，由具有MPPT最大功率點跟蹤功能的充電控制器實現(xiàn)太陽能電池板向蓄電池最大效率充電；蓄電池通過二級降壓Buck電路對各個負載供電 ；冷熱聯(lián)供主要通過水循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)，系統(tǒng)在光伏電池板下設(shè)計有水箱，不僅可以有效利用光伏電池板的余熱，而且可以為光伏電池版降溫從而使電池板工作在最適宜溫度環(huán)境下。采用半導(dǎo)體制冷器，應(yīng)用“熱電效應(yīng)”，實現(xiàn)冷熱水聯(lián)供。系統(tǒng)基于單片機設(shè)計了溫度測控系統(tǒng)，分別測量熱水箱水溫以及光伏電池板集熱水箱溫度，當熱水箱水溫低于設(shè)定值時，加熱器自動啟動加熱，當電池板集熱器溫度高于設(shè)定值時，水泵啟動實現(xiàn)強制水循環(huán)。系統(tǒng)能量流及控制流如圖2所示。
圖2 戶用光伏冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理概圖
2 關(guān)鍵技術(shù)以及解決方案
系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)在于：
（1）太陽能的高效利用：隨著光照強度、溫度以及負載特性的變化，光伏電池的輸出功率隨之變化，輸出功率不穩(wěn)定。研究最大功率點跟蹤（MPPT），以獲取光伏電池的最大功率輸出，從而最大限度的利用太陽能。
（2）由于太陽能的不穩(wěn)定性、間斷性和不可控性，系統(tǒng)配入蓄電池作為儲能元件，如何給給蓄電池充電，實現(xiàn)最優(yōu)充電，亦是本課題的另一重點
（3）冷熱聯(lián)供：本課題采用半導(dǎo)體制冷器實現(xiàn)冷熱聯(lián)供。應(yīng)用其冷端對水制冷，并收集其熱端熱量，用于水的加熱。
（4）余熱利用。通過基于單片機的自動水循環(huán)系統(tǒng)以及光伏電池板集熱器、半導(dǎo)體制冷器散熱裝置，以水為介質(zhì)充分吸收系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱，達到能源梯級利用的目的。
基于上述分析，具體設(shè)計如下：
2.1 光伏電池的最大功率跟蹤
光伏電池與其負載有一個最佳的匹配點，當二者匹配時，光伏電池將工作在最大功率點上，既能夠輸出的最大功率。光伏電池隨著外界環(huán)境的改變，其輸出的特性發(fā)生改變，如果光伏電池沒有工作在與之匹配的工作點上，將會造成能量的損失。解決這一問題的途徑就是最大功率點跟蹤（MPPT）。它是能夠?qū)崟r檢測光伏陣的輸出功率，采用一定的算法預(yù)測當前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變當前的阻抗情況來使太陽能電池板輸出工作在最大功率點上。
本系統(tǒng)采用擾動觀察法實現(xiàn)了MPPT控制。[3]擾動觀察法（P&O，Perturbation and observation） 擾動觀測法通過選定一定的D初值以及適當?shù)恼伎毡日{(diào)整值 D達到逐步逼近最大功率點的目的。檢測當前時刻的電壓、電流值Un、In，計算此時的輸出功率Pn=Un*In，先通過增加PWM占空比來增加一個電壓擾動值，再次檢測電壓、電流值Un+1、In+1。計算Pn+1=Un+1*In+1，然后與前一功率值Pn進行比較。本方法中占空比的變化與功率值變化的關(guān)系為：①D增加時，P增加，則應(yīng)讓D進一步增加 D；②D增加時，P減小，則應(yīng)讓D減小 D；③D減小時，P增加，則應(yīng)讓D進一步減小 D；④D減小時，P減小，則應(yīng)讓D增加 D。算法流程圖如圖3所示：
圖3 擾動觀測法算法流程
2.2 基于TL494的Buck電路設(shè)計
圖4 基于TL494的Buck電路原理圖
在本課題中，光伏電池板輸出電壓等級為24v，而冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)各負載的電壓等級均為12v及以下，電壓等級不合；另外各個負載的運行狀態(tài)根據(jù)具體需求而定，并不一定時刻工作在額定電壓下。故必須設(shè)計Buck（降壓可調(diào)電路）電路來實現(xiàn)光伏電池板與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的連接。
我們設(shè)計的基于TL494芯片PWM調(diào)制式的Buck電路原理圖如圖4所示：
1腳為反饋電壓輸入端，通過5.1K電阻接入電壓輸出端，反饋電壓由R10和R11調(diào)節(jié)；
3 腳所接的0.1u 電容及47K、1.0M 電阻是斜率補償為了增加電路的穩(wěn)定性。震蕩頻率由C2和R2決定，fosc=2.34×10^2Hz；
8腳輸出PWM波通過R1和R3加于MOS管GS兩端，從而控制MOS的通斷。
C1和C5均為濾波電容；
TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：
fosc=1.1/（CT*RT ）
整個電路的原理是：開關(guān)元件MOS由TL494芯片的輸出脈沖控制，假設(shè)在t=時，驅(qū)動MOS導(dǎo)通，電源E向負載供電，二極管截止，電容C5處于充電狀態(tài)，電感L處于儲能狀態(tài)，負載電流I0成指數(shù)上升。當t=t1時，控制MOS關(guān)斷，由于電感電流IL無法瞬時變化，故電感將釋放儲能，使負載電流緩慢下降，二極管起到續(xù)流作用，電容處于放電狀態(tài)，負載電流緩慢下降。至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動MOS導(dǎo)通，重復(fù)上述過程，當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，
U0=ton/（ton+toff）E=αE
式中，ton是導(dǎo)通時間，toff是斷開時間，α為導(dǎo)通占空比。
2.3 余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計方案
本課題所設(shè)計的余熱回收系統(tǒng)主要由光伏電池板集熱器，半導(dǎo)體制冷器散熱裝置，水箱，直流水泵組成，整個系統(tǒng)以水作為冷卻介質(zhì)，利用直流水泵通過水循環(huán)系統(tǒng)將冷水箱的水注入光伏電池板和半導(dǎo)體制冷器的散熱裝置中，將光伏電池板和半導(dǎo)體制冷器所排放的多余熱量通過水收集，最后流回熱水箱里加以利用。
光伏電池板集熱器采用以水為介質(zhì)的封閉強制循環(huán)冷卻方式，在光伏電池板背面加裝集熱管、通道等結(jié)構(gòu)，通過直流水泵把水箱中的水透過連接閥門泵入封閉管道中，太陽能電池板中的熱量經(jīng)集熱管傳導(dǎo)到水中，多余熱量得到充分利用。結(jié)構(gòu)如圖5[4]所示：
圖5 太陽能電池板集熱器
半導(dǎo)體制冷器散熱裝置采用水冷散熱系統(tǒng)進行余熱回收，如圖6所示，[5]在半導(dǎo)體的熱端安裝吸熱片、肋片和通道等結(jié)構(gòu)，然后利用直流水泵將冷水箱的水泵入通道中，最后再流回熱水箱中，使余熱充分利用。之所以利用水作為散熱介質(zhì)，是因為該介質(zhì)容易獲得可循環(huán)利用且對環(huán)境無污染。可以通過增加水道數(shù)量的方式 提高散熱能力，是一種較為實用的散熱方式。
圖6 水冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.4 基于51單片機的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)智能控制電路設(shè)計
控制思想：冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，各個負載需要根據(jù)系統(tǒng)的實時監(jiān)測狀態(tài)改變自身工作狀態(tài)，以滿足用戶需求并使系統(tǒng)的工作效率最大化。本課題以水溫作為系統(tǒng)實時監(jiān)測對象，設(shè)定上下限溫度TH和TL，當水箱中的熱水區(qū)的水溫低于下限溫度TL時，通過繼電器啟動加熱棒電路，加熱水箱中的水，以滿足用戶需求，當高于設(shè)定溫度TH時，斷開加熱棒回路。另一方面，以相同原理設(shè)計另一個電路，區(qū)別在于：當光伏板下的的水溫高于上限溫度TH時，通過繼電器啟動直流水泵，將水箱冷水區(qū)中的水泵入到水循環(huán)系統(tǒng)中，余熱回收系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)的多余熱量被回收，當水溫下降到TL以下時，斷開直流水泵。
本課題所研究的基于51單片機的冷熱電聯(lián)供智能控制電路硬件組成部分為：主控電路、液晶顯示電路、溫度采集電路、報警電路，繼電器控制電路。
采用STC89C52RC單片機做為本課題的單片機使用，它是由ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的CMOS 8位單片機。STC89C52RC單片機具有以下幾個性能特點：4 k字節(jié)的閃存片內(nèi)程序存儲器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，32個外部輸入和輸出口，2個全雙工串行通信口，看門狗電路，5個中斷源，2個16位可編程定時計數(shù)器，片內(nèi)震蕩和時鐘電路且全靜態(tài)工作并由低功耗的閑置和掉電模式。
系統(tǒng)流程圖如圖7所示：
根據(jù)上述的原理以及參數(shù)，我們制作了基于TL494芯片的Buck電路，基于51單片機的智能控制電路，并購買其他相應(yīng)器件搭建整個系統(tǒng)，如圖8所示。系統(tǒng)搭建完成后，我們先后對光伏電池板輸出電壓、MPPT充電控制器輸出功率、Buck電路驅(qū)動波形以及輸出電壓，分別進行了測量與分析。
圖9 電池板輸入電壓
從測試結(jié)果可以看出，光伏電池在正常工作時的輸出電壓為20.4-21.0V，經(jīng)MPPT調(diào)整后為20.4-21.6V，蓄電池處于充電狀態(tài)，光伏電池端電流值為5.28A。輸出功率接近額定輸出功率，
考慮天氣以及日照因素等造成誤差，MPPT控制器的工作情況良好。
圖10 Buck電路驅(qū)動波形
圖10所示的Buck電路驅(qū)動波形是通過測量TL494芯片的8腳輸出波形而得的，Buck電路兩端的輸出電壓大小為9.2-10.4v。另外輸出電壓可以通過Buck電路上的兩個可調(diào)電阻之比來調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計要求。
實驗分析與結(jié)論結(jié)論：
1）在負載總功率不變且陽光充足氣溫31℃左（下轉(zhuǎn)第288頁）（上接第274頁）右的環(huán)境條件下，通過溫度傳感器測量到的加入余熱回收裝置后的光伏電池板以及半導(dǎo)體制冷器熱端的溫度分別在40℃～53℃和35℃～38.5℃之間，沒有加入余熱回收裝置的光伏電池板和半導(dǎo) 體制冷器熱端溫度在45℃～50℃和38℃～42℃之間，比較試驗表明系統(tǒng)發(fā)出的多余熱量得到了一定程度的利用。
2）在不同的日照條件下，光伏電池板的輸出功率變化較大，但在MPPT控制器的作用下，始終控制在最大功率點上。當光伏電池板輸出功率不足時，由蓄電池進行供電，當光伏電池板輸出功率過量時，對蓄電池進行充電。
3）整個系統(tǒng)還有待優(yōu)化，由于實驗設(shè)備不夠精確，測量儀器也有所誤差，無法對系統(tǒng)各個部分的性能進行完整的測試分析，半導(dǎo)體制冷器的余熱回收效果不明顯。
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