【文章內(nèi)容簡介】 圖35 續(xù)流二極管D本電路功率器件選擇IGBT,IGBT是用雙極型晶體管與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。因此IGBT和MOSFET驅(qū)動原理[25]相同，其開斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓決定的。是它集合了雙極型晶體管與MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有開關(guān)速度快，電流驅(qū)動功率大，導(dǎo)通壓降小等優(yōu)點(diǎn)。RdPNPNPNRbECCGEa IGBT寄生晶閘管等效電路 b IGBT電氣符號圖36 IGBT等效電路和電氣符號圖36中給出了IGBT的等效電路以及常用電氣符號，它的三電極分別是柵極G、集電極C和發(fā)射極E。根據(jù)IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓、IGBT 集電極與發(fā)射極之間的電壓、IGBT 集電極發(fā)射極的電流Ic、IGBT 的結(jié)溫以及IGBT的工作頻率等參數(shù)，本文設(shè)計的Buck斬波電路中的IGBT選用英飛凌FF150R12KT3G模塊，其結(jié)構(gòu)見圖37。圖37 FF150R12KT3G結(jié)構(gòu)圖主要參數(shù)有：集電極發(fā)射極間能夠外加的最大電壓：；柵極發(fā)射極間能夠外加的最大電壓：；工作溫度在25℃時，集電極的電極上容許的最大直流電流：；所容許的最大功率損耗：；功率開關(guān)管Q的紋波電流為系統(tǒng)輸入電流的兩倍。本設(shè)計系統(tǒng)主電路開關(guān)管承受電壓為110V，~，取耐壓值為275V。，~，耐流值取為57A。所選擇的IGBT模塊滿足設(shè)計要求。由于FF150R12KT3G模塊是由兩個IGBT構(gòu)成的，故在電路設(shè)計時為了提高器件利用率，在Buck回路中IGBT模塊的3引腳C1接光伏輸入，1引腳C2后接電感，2引腳接地，即由IGBT模塊中的一個IGBT功率管和另一個IGBT的快恢復(fù)二極管和回路中的續(xù)流電感共同構(gòu)成Buck斬波電路，IGBT驅(qū)動信號由4引腳G5引腳E1兩個引腳輸入。結(jié)合圖38 BUCK電路各點(diǎn)波形圖所示：iCILUdUoUdt2t1tttiCiVTi2i1iLuLuVTugttt圖38 BUCK電路各點(diǎn)波形圖當(dāng)IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時，此時電路的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖39所示：uo圖39 IGBT導(dǎo)通時電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于電路工作頻率很高，一個周期內(nèi)和基本維持不變，可視為恒定值。則則： ①當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時，此時電感續(xù)流，二極管導(dǎo)通，此時電路的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖310所示：圖310 IGBT關(guān)斷時電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)此時，電感上的電壓=則②綜合和只有Q管導(dǎo)通期間（ton內(nèi)）電感L增加的電流等于Q管截止期間（toff時間內(nèi)）減少的電流，這樣電路才能達(dá)到平衡，才能保證儲能電感L中一直有能量，才能不斷地向負(fù)載提供能量和功率，設(shè)電路的占空比為?？紤]到和，可得 因此，Buck電路輸出電壓平均值與占空比δ成正比，δ從0變到1，輸出電壓從0變到,且輸出電壓最大值不超過輸入電壓。此時電路中電感電流的平均值為：電感電流的最大值：電感電流的最小值：電感電流不能突變，只能近似的線性上升和下降，電感量越大電流的變化越平滑；電感量越小電流的變化越陡峭。當(dāng)電感量小到一定值時，在t=T時刻，電感L中儲藏的能量剛剛釋放完畢，這時，此時的電感量被稱為臨界電感，當(dāng)儲能電感L的電感量小于臨界電感時，電感中電流就發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象。LC即為臨界電感值，式中RL為負(fù)載電阻。即：③Lc即為臨界電感值在本電路中，選擇開關(guān)管工作頻率，常選擇工作頻率20KHZ左右，以避開音頻噪聲，同時防止開關(guān)頻率過大，開關(guān)損耗加大，效率減小。在③式中計算占空比時，選擇占空比的最小值，即=f為開關(guān)管的頻率，在本系統(tǒng)中選擇15KHZ。由于本系統(tǒng)為2KW,額定電壓為48V，因此，等效電阻的大小為：RL=因此L=() =.[26]。BUCK電路的電容共有CCCCC4選用3300u/400V電解電容并聯(lián)，起到主輸入電路濾波的作用。在輸出測濾波電容C3選擇時需參考圖38示，當(dāng)iLI0時，C3沿負(fù)載放電，協(xié)助L1向負(fù)載提供能量；當(dāng)iLI0時，C3被充電，設(shè)電感L1的諧波電流完全流過C3,負(fù)載電流的脈動很小，即，由于電容電流在一個周期的平均值為零，則在半個周期內(nèi)電容放電或充電的電荷量為：相應(yīng)的電壓脈動量為：又結(jié)合則則本系統(tǒng)中設(shè)考慮一定的余量，這里選擇epcos的10000uF/100V電解電容。TMS320F28035外圍器件引腳分配如圖311所示 圖311 TMS320F28035外部引腳分配 A/D轉(zhuǎn)換輸入電路設(shè)計電壓檢測信號調(diào)理電路圖如圖312所示 圖312 電壓檢測信號調(diào)理電路電流檢測信號調(diào)理電路圖： 圖314 電流檢測信號調(diào)理電路 由于IGBT選用英飛凌公司的FF150R12KT3G[27],這里選用TLP250光耦[28]作為其驅(qū)動模塊，該硬件電路設(shè)計如圖315所示，TLP250是一種可直接驅(qū)動IGBT的功率型光耦，選用TLP250光耦保證了功率驅(qū)動電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備直接驅(qū)動IGBT的能力，使驅(qū)動電路特別簡單，東芝公司的專用集成功率驅(qū)動電路TLP250是8腳雙列封裝，其具備以下特征，輸入閾值電流5mA(MAX),電源電流11mA(MAX), 電源電壓1035V，輸出電流。 圖315 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計當(dāng)PWM1為1時，Vo2輸出為高電平，此時三極管D44H11導(dǎo)通，而D45H11截止，此時，G1輸出為正15V。當(dāng)PWM1為0時，Vo2輸出為低電平，此時三極管D44H11關(guān)閉，而D45H11導(dǎo)通，此時G1輸出為負(fù)15V。通過此驅(qū)動電路保證IGBT的可靠開通與關(guān)閉在實(shí)時檢測部分當(dāng)中，控制器設(shè)置為定時器觸發(fā)A/D采集方式，其程序流程圖如圖316所示：開始A/D,定時器初始化定時時間到A/D采集 圖316 A/D采樣流程圖在采樣部分中，采樣頻率是一個很重要的控制參量，從信號保真和控制性能角度看變換器系統(tǒng)的采樣頻率越高越好。采樣頻率越高，對硬件要求越高，從而增加硬件的成本。所以選擇采樣周期應(yīng)該采取折中的方法選擇最佳的采樣周期[3]。為了確定在檢測部分系統(tǒng)能達(dá)到的最大采樣頻率，在開始進(jìn)入A/D采集中斷處用一個通用輸入輸出口做指示，每次進(jìn)入此中斷時，將此輸入輸出口電平取反。不斷提高采樣頻率，根據(jù)翻轉(zhuǎn)信號確定中斷程序能否執(zhí)行完，中斷程序執(zhí)行可用圖317表示：翻轉(zhuǎn)信號采樣周期T翻轉(zhuǎn)周期TS圖317 （a）中斷能執(zhí)行完T 翻轉(zhuǎn)信號采樣周期T翻轉(zhuǎn)周期TS圖317（b）中斷不能執(zhí)行完T在如果采樣周期大于輸入輸出口翻轉(zhuǎn)周期的一半，此時顯然程序沒能執(zhí)行完，如圖317(b)所示，這時的采樣頻率為最大采樣頻率。程序框圖如圖318所示圖318 MPPT最大功率跟蹤軟件設(shè)計否否Y是是開始讀入Un,In返回否蓄電池在充電過程中，電池電壓與充電時間大致成線性關(guān)系，工程上取充電曲線斜率為充電平臺期斜率的10倍時為蓄電池充電的終止點(diǎn)。 , 且充電電流3A時，此時，以MPPT方式充電，設(shè)定白色發(fā)光二極管發(fā)光。 , 且充電電流3A時，此時，以恒流方式充電，設(shè)定一個綠色發(fā)光二極管發(fā)光。當(dāng)蓄電池電壓 Ub55時，恒壓充電方式，此時黃色二極管發(fā)光。55Ub 時，蓄電池進(jìn)入浮充，藍(lán)色二極管發(fā)光。蓄電池電壓Ub，蓄電池已滿，停止充電，紅色二極管亮。系統(tǒng)整體充電流程圖（圖319）、恒壓充電軟件流程圖（圖320）和恒流充電流程圖（圖321）所示如下否否是是是否是是否A/D轉(zhuǎn)換是否完成Ub充電結(jié)束，紅色二極管亮Ub55VUbIb3AMPPT 跟蹤充電，一個白色二極管亮浮充藍(lán)色二極管亮恒壓充電黃色二極管亮恒流充電綠色二極管 亮系統(tǒng)初始化圖319 系統(tǒng)整體充電流程圖否是設(shè)定D,Uref=54V開始采樣UbUb=UrefUbUref是否減小D增加D輸出PWM圖320 恒壓充電流程圖恒流充電流程圖否是設(shè)定D,Iref=3A開始采樣IbUb=UrefIbIref是否減小D增加D輸出PWM圖321 恒流充電流程圖本系統(tǒng)在設(shè)計中采用的恒壓或恒流充電，目的都是為了讓被控量穩(wěn)定在設(shè)定值，在本系統(tǒng)中，利用DSP構(gòu)成的反饋環(huán)節(jié)，利用PID控制算法，讓系統(tǒng)保持穩(wěn)定，在PID控制算法中，最重要的是確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)。在本系統(tǒng)中，采用試湊法，步驟如下：①、先采用純比例控制，Kp由小變大，令設(shè)定值產(chǎn)生一個小的階躍變化，觀察控制量的響應(yīng)。如果Kp較小，則響應(yīng)速度會比較慢。增大Kp，再次令設(shè)定值產(chǎn)生一個小的階躍變化，觀察控制量的響應(yīng)。這樣持續(xù)增大Kp的值(如每次都將Kp乘2)。直到被控量的響應(yīng)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。記下此時的Kp的值②、將①—，然后選擇一個較大的Ti的值，然后逐步減小Ti的值在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。③、在②中靜態(tài)性能得到滿足的條件下，動態(tài)性能仍不太好的情況下，調(diào)節(jié)微分時間常數(shù)Td ，調(diào)整時，先置Td=0，然后逐步增大Td ,并微調(diào)Kp和Ti ,直到得到滿意的效果。