太阳能电池最大功率跟踪芯片及控制器的优化设计

发布时间：2018-10-08 15:39

【摘要】：进入21世纪,随着传统化石燃料的储量逐年递减,再加之全球性的气候问题和生态问题,绿色发展理念逐渐深入人心,大力发展可再生的清洁能源已成为当今的必然趋势。光伏(Photovoltaic,PV)发电作为一种技术成熟、产业化程度高的清洁能源,受到各国的高度关注和重视。光伏发电的研究中,除了新的光电转换材料外,另一个不可或缺的就是功率转换电路的研究。太阳能电池板无法直接接到电网或负载上供用户使用,这是因为电池板的输出功率受负载影响很大,随着负载电阻的不同,电池板输出功率也会有很大变化。因此,为了使电池板始终以最大功率输出,必须引入最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)电路。MPPT控制器电路分为两个部分,以开关电源为基本拓扑的DC/DC转换电路和作为控制中心的MPPT控制芯片电路。针对这两部分,本文的主要工作和创新点如下:(1)对基于Buck拓扑的MPPT控制器的结构进行建模,得出其环路传输函数,分析系统稳定性情况,并对系统进行补偿,使MPPT控制器在断续导通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)和连续导通模式(Continuous Conductin Mode,CCM)下均可稳定工作,并且补偿后的环路带宽达到开关电源的设计要求。(2)基于Buck电路,详细分析了控制器的损耗机理,给出控制器的损耗模型,得出各部分的损耗情况,然后以此为基础,优化控制器的电路设计,提升了控制器的功率转换效率,从之前的80%提升到91.9%。这种分析和优化方法不仅适合于Buck电路,在Boost结构的MPPT控制器中也同样适用。(3)优化了 MPPT芯片的模拟部分电路。包括电流采样电路和电压采样电路、电压和电流偏置电路。优化后的电路具有较高的精度和抗工艺涨落、供电电压波动、温度漂移(Process,Supply Voltage and Temperature,PVT)的性能,从之前的对理想值18%的偏差优化到3%,可以满足MPPT控制器芯片对电池板最大功率的高精度跟踪的要求。(4)设计了基于扰动观察算法的新型MPPT电路。传统基于模拟比较器进行功率比较的MPPT电路受限于比较器的输入电压范围,功率跟踪范围难以做到很大,比较器失调也会降低跟踪精度;而数模混合MPPT电路要么是使用ADC实现数模转化,要么直接使用与功率成正比的电流对电容充电并计数充电时间来实现模拟到数字的转化,然后再使用数字存储器和比较器对功率大小进行判断,实现最大功率跟踪。前者复杂度高,而后者会导致大功率时的功率跟踪精度低于小功率时的跟踪精度。而本文提出的芯片则是使用与电池板功率成反比的电流对电容充电,这样充电时间与功率的关系是线性的,保证了在高功率下也能实现高的跟踪精度;同时该设计仅使用一个计数器即可实现传统数模混合型MPPT功率值的模数转化、数字存储和比较三项功能,降低了电路复杂度。本文提出的这种算法电路和芯片优化前相比,在同等外电路情况下,设计最大可跟踪功率从28W提高到40W,功率范围提升42%,而跟踪精度高出1%-2%(从98%-99%提升到99%以上)。(5)设计了乘法-倒数器电路。本文提出的新型MPPT算法实现电路需要与电池板功率成反比的电流作为输入,针对于此,本文设计了可以进行乘法和取倒数运算的乘法-倒数器电路。该电路完成对电压和电流采样电路输出的乘法和倒数运算,输出代表电池板输出功率值倒数的电流信号。本文设计的乘法-倒数器电路采用互补的原理,具有很好的抗PVT的性能,仿真结果显示,输入相同电压和电流时,输出电流误差不超过1%,从而可以保证MPPT芯片最大跟踪功率范围为1-40W。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【参考文献】