致謝XII光伏并網(wǎng)控制的DC-DC模塊的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18780光伏并網(wǎng)控制的DC-DC模塊的設(shè)計(jì)案例 -1-180341.1升壓電路的基本原理 -1-236491.2輸入脈沖的控制芯片 -3-317931.3升壓模塊的設(shè)計(jì)電路 -5-1.1升壓電路的基本原理在直流-直流變換電路中，Boost升壓電路是較為常用的升壓電路。Boost升壓電路是一種功率開關(guān)管直流升壓電路，它的主要功能是：利用電感的儲能特性，使得輸出的直流電壓比輸入的直流電壓高，以此來達(dá)到升壓的目的。Boost升壓電路原理圖如下所示：圖3-1Boost升壓電路的電路圖電路主要由電感L，三極管V，二極管VD，電容C，負(fù)載R組成，在電路左端E處，輸入一個直流電壓Ui，在電容C的兩端輸出一個直流電壓Uo。其中，電感L，三極管V，二極管VD，電容C組成了一個特定的星形結(jié)構(gòu)，即電流從E處出發(fā)，先經(jīng)過電感L，在三極管V和二極管VD處分路。首先，在電路所有元件都可以正常工作的情況下，假定三極管V斷開了較長的的一段時(shí)間，此時(shí)電容C兩端的電壓就是輸入端E的電壓。1.Boost電路的充電過程在Boost電路的充電過程之中，三極管的絕緣柵極得到到高電平，三極管將會導(dǎo)通，開關(guān)閉合，三極管的支路相當(dāng)于一根導(dǎo)線。此時(shí)，輸入的電流從正極出發(fā)，流經(jīng)電感L,然后從三極管所在支路回到負(fù)極，此時(shí)電感在儲存能量，儲存能量的大小和電感的大小有關(guān)系。二極管具有單向?qū)ǖ奶匦裕虼怂淖饔茫褪欠乐勾藭r(shí)電容對電路或者對地放電，因此電容電壓仍然是E。2.Boost電路的放電過程在Boost電路的放電過程之中，三極管的絕緣柵極得到0電平或者負(fù)電平，三極管將會截止，開關(guān)斷開。電流從正極出發(fā)，流經(jīng)電感，到二極管，到負(fù)載R回到負(fù)極。此時(shí)，由于電感具有電流保持特性，也就是會阻礙電流的變化，三極管的關(guān)閉導(dǎo)致電路的電流產(chǎn)生了變化，電感向外釋放能量，從而阻止電流的變化，由于電容被二極管限制了對地放能，電容承接了電感釋放的能量，電能兩端的電壓增大，從原本的E變成大于E的另一直流電壓值。升高的大小，取決于電感儲存能量的大小。當(dāng)然，電容也需要有足夠的容量來承載這些電能。1.占空比α根據(jù)Boost電路的工作原理，我們知道，升壓的關(guān)鍵在于把電感儲蓄的能量轉(zhuǎn)移到電容里，電感在充電過程儲存能量，在放電過程釋放能量。而充電和放電的過程，取決于三極管的導(dǎo)通或者關(guān)斷。三極管的導(dǎo)通或者關(guān)斷，又取決于三極管絕緣柵極得到的是高電平還是0電平。易知，想要電路正常工作，需要在三極管的絕緣柵極通入一個合適的矩形序列。對于三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，需要引入占空比的概念。占空比：一個周期內(nèi)，高電平的時(shí)間閉上整個周期的時(shí)間。當(dāng)電路正常工作的時(shí)候，在一個周期捏，三極管的導(dǎo)通時(shí)間電感儲存的能量就等于三極管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)電感放出的能量，可以得到如下的式子：（3-1）經(jīng)過整理之后：（3-2）由此，就可以利用占空比，將輸入的電壓和輸出的電壓，利用數(shù)學(xué)的邏輯，表示出二者的關(guān)系。也就是，調(diào)節(jié)通入三極管的絕緣柵極的矩陣序列的占空比，就可以調(diào)節(jié)輸出端的電壓的大小。輸入的電壓Ui和輸出的電壓Uo的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系如下：（3-3）從而易知，直流-直流變換，就是通過給三極管的絕緣柵極輸入一個特定的序列，讓這個序列使得三極管按一定的規(guī)律通斷，改變輸出電壓的占空比，從而改變輸出電壓的平均值，以至于達(dá)到改變電壓的目的。1.2輸入脈沖的控制芯片要想要升壓電路能夠達(dá)到想要的效果，則需要對升壓電路的開關(guān)管的絕緣柵極輸入的矩形波進(jìn)行控制，也就是對矩陣波序列的占空比進(jìn)行控制。TL494是一種市面上比較常用的脈寬調(diào)制集成電路，它擁有固定的頻率，常見于全橋式、半橋式的開關(guān)電源之中。TL494還具有不同的封裝形式，用以滿足客戶的不同需求。本設(shè)計(jì)選用TL494對Boost升壓電路的三極管絕緣柵極的開關(guān)序列做一個處理，使得其升壓電路運(yùn)行穩(wěn)定且可靠。TL494主要特征：2個誤差放大器，2個可以輸出PWM波的脈寬調(diào)制控制電路，可以定義為過流保護(hù)等保護(hù)控制或者用做反饋控制；芯片的電壓采用5V的直流基壓作為直流供電；具有死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)的功能，給死區(qū)時(shí)間對應(yīng)的端口通入不同的電壓，可以得到不同的死區(qū)時(shí)間；輸出級電流500mA；輸出控制可以選擇使用半橋、推挽或單端控制；擁有欠壓封鎖的功能。主要特征的具體分析：振蕩器：振蕩器用來提供開關(guān)器件所必須的控制信號，振蕩器的振蕩頻率取決于外部的RT和CT，RT和CT一般連接在對應(yīng)的接口和地之間，RT一般取值5-100k，CT一般取值0.001-0.1uF。振蕩器會形成鋸齒波形，最大頻率達(dá)到500kHZ。頻率計(jì)算公式如下：（3-4）PWM比較器：和PWM比較輸入端（3腳）以及2個誤差放大器的輸出端有關(guān)系。當(dāng)給3腳施加一個1.5V的直流電壓時(shí)，可以使得PWM的占空比達(dá)到0，外接RC網(wǎng)絡(luò)還可以用來對誤差放大器做相位補(bǔ)償。當(dāng)誤差放大器的輸出被抬高，死區(qū)時(shí)間增加，輸出降低，死區(qū)時(shí)間減小。5V的直流基準(zhǔn)電壓：主要用于給芯片的正常工作提供一個穩(wěn)定的電壓偏置。誤差放大器：電路含有兩個誤差放大器，一個用于過流保護(hù)，一個用于電源電壓反饋。兩個放大器可以同時(shí)并入PWM比較器，連入PMW比較器的同相端進(jìn)行輸入。經(jīng)過反饋和比較之后，在輸出端輸出，又可以繼續(xù)和鋸齒波比較，則可以進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)。UC封鎖電路：也叫做欠壓封鎖電路，當(dāng)芯片電路的電壓過低，VCC低于4.9V時(shí)，或者內(nèi)部電源電壓低于1.5V時(shí)，可能會導(dǎo)致芯片功能出問題，此時(shí)CK端自動鉗位，輸出口被封鎖，起到保護(hù)電路的作用。輸出電路：輸出口的工作狀態(tài)，主要由輸出控制腳（13腳）來決定。當(dāng)13腳接入高電平時(shí)，D觸發(fā)器使得兩晶體管輪流導(dǎo)通，可以用于橋式和驅(qū)動推挽方式的變換器；當(dāng)13腳接低電平，利用與門使得D觸發(fā)器將信號進(jìn)行反轉(zhuǎn)輸出，輸出的來年各個晶體管的狀態(tài)由死區(qū)時(shí)間控制器以及PWM比較器直接控制，并且兩者可以并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)同步。工作原理圖3-2TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TL494的功率管被與非門控制，只有當(dāng)觸發(fā)器接收到的信號為低電平時(shí)，功率管才會選中導(dǎo)通。將控制信號從外設(shè)電路輸入芯片，利用不同的電壓，來控制死區(qū)的時(shí)間。電容上的電壓與另兩個控制信號進(jìn)行對比，可以確定脈沖寬度。誤差放大器可以實(shí)行兩個信號的對比，利用PWM脈沖調(diào)制可以控制出輸出的脈沖寬度。直接從TL494芯片的10腳輸出來的波形可能會不穩(wěn)定，或者存在失真等現(xiàn)象，選擇一個可以自取的電路進(jìn)行緩沖可以有效的保證波形的完整性。IR2184是一種常見的功率放大器，常用于信號的采集，波形的自取。其引腳圖如下所示：圖3-3IR2184芯片引腳圖①1腳，為IN，輸入腳，一般輸入脈沖信號。也就是PWM波信號。②2腳，為SD，芯片使能端，高電平有效，芯片開始工作。③3腳，接地端。控制下半橋。④4腳，為LO，是低一級的門極驅(qū)動輸出端口。控制下半橋。⑤5腳，為VCC，芯片電壓提供口。控制下半橋。⑥6腳，為VS，高一級側(cè)的電源回流口，控制上半橋。⑦7腳，為HO，高一級側(cè)的門極驅(qū)動輸出口，控制上半橋。⑧8腳，為VB，高一級側(cè)的電源輸入口，控制上半橋。當(dāng)SD為高電平，芯片被選中。此時(shí)，若IN口輸入高電平，HO就輸出高電平，IN輸入低電平，HO就輸出低電平。也就是說，輸入口IN輸入的波形，與HO口輸出的波形相同。若IN口輸入高電平，LO就輸出高電平，IN輸入低電平，LO就輸出低電平。也就是說，輸入口IN輸入的波形，與LO口輸出的波形相反。當(dāng)SD為低電平時(shí)，芯片使能端沒有工作信號，芯片不工作。1.3升壓模塊的設(shè)計(jì)電路圖3-4升壓電路原理圖光伏陣列產(chǎn)生的直流電壓，接在左邊的插位JP6上，一般的光伏陣列可以提供給輸入端的電壓為80V左右，由于需要并入的是市電，因此電壓需要升高到340V及以上。開關(guān)管的絕緣柵極G接入了一個PWM的脈沖調(diào)制序列，這個序列的具體參數(shù)由TL494和IR2184組合成的脈沖調(diào)制電路提供。圖3-5TL494硬件設(shè)計(jì)部分原理圖1/2腳：誤差放大器1的同相輸入端/反相輸入端。在1腳輸入從Boost升壓電路輸出端的取出的用于反饋的電壓信號,在2腳輸入由單片機(jī)進(jìn)行比較、處理之后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的信號GD，以此來控制公共電網(wǎng)的電壓和分布式電源的電壓相同3腳：反饋口。誤差放大器的反饋補(bǔ)償；4腳：死區(qū)時(shí)間控制端。給4腳施加一個0～1.5V電壓，就可以使輸出信號的占空比在49%～0之間變化調(diào)整。死區(qū)的時(shí)間控制，可以用外部連入的CT來決定.5/6腳：TL494內(nèi)置振蕩器的外設(shè)定時(shí)電容端/電阻端；7腳：GND，接地端8/9腳：晶體管1的集電極/發(fā)射極；10/11腳：晶體管2的發(fā)射極/集電極；圖中，將兩個晶體管并聯(lián)輸出，在10腳進(jìn)行信號的輸出。12腳：外置直流電源輸入端。13腳：輸出方式選擇端。推挽方式：采用13腳和14腳連接；并聯(lián)方式：采用13腳接地。圖中采用的就是并聯(lián)輸出的方法，兩個晶體管可以講發(fā)射極、集電極分別相連，形成一個復(fù)合管，輸出一個方波。14腳：基準(zhǔn)5V電壓。使得芯片可以在有效工作環(huán)境內(nèi)正常工作。15/16腳：誤差放大器2的反相輸入端/同相輸入端。這個電路部分的主要功能，就是將從升壓電路輸出端取出的反饋電壓Vf和從DAC電路發(fā)出的經(jīng)過單片機(jī)處理得到的電壓信號GD輸入進(jìn)誤差放大器里進(jìn)行比較，反