太阳能直流数字电源设计研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇太阳能直流数字电源设计研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本文介绍了一款太阳能直流电源，可实现给家庭用小型电子产品供电、充电。该设计主要由太阳能光伏阵列、直流变换模块、MPPT模块、蓄电池、智能切换控制器以及反激式DC/DC变换器几个模块组成，且输出电压根据负载需求可调。文章详细地阐述了目前常用的几种MPPT算法，并对比了各种算法的优劣性；同时，给出了反激式DC/DC变换器的整个设计过程。

关键词：太阳能电池 MPPT 反激式DC/DC变换器

中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0153-01

第二次工业革命以来，全球经济得到飞速发展，对能源的需求也日益增加。目前所使用的能源主要是化石能源，化石能源在开采和使用的过程中，都对环境产生很大的影响，同时其在地球的储量也有限。为了能源、环境的可持续发展，太阳能因安全可靠、高效、无污染且受地域限制小而被广泛地关注和研究。

1 太阳能直流电源的总体结构

本文设计了一个太阳能直流电源产品，作为家庭用电设备自给供电。太阳能直流电源产品的结构如图1所示，主要由太阳能光伏阵列、直流变换模块、MPPT模块、蓄电池、智能切换控制器以及DC/DC变换器组成。如图1所示。

2 太阳能直流电源的工作原理

光伏阵列在太阳光的照射下，会产生光生电流IPH。光生电流IPH只和光伏阵列面积、光照强度、以及温度相关。且光伏阵列面积越大、光照强度越强、温度越高，光生电流越大。

光伏阵列所生成的电压是非线性的，会随着环境光照强度和光伏阵列表面温度的变化而变化。直流变换模块的作用就是把非线性的电压转换成直流电压。当然这里还需要一个MPPT模块，当光照强度和温度变化时，光伏电池的输出功率也会跟着变化。为了提高太阳能电池的整体效率，系统需要实时检测光伏电池的输出，通过算法控制调整的直流变换模块的工作点，使光伏电池始终工作在最大功率点附近，这就是最大功率点跟踪（MPPT）。

目前常用的MPPT算法有三种：恒定电压法、扰动观察法、电导增量法。恒定电压法控制简单、容易实现，但是对于光伏电池的输出跟踪检测效果不好，系统的输出效率较低。扰动观察法是目前使用最多的算法，其原理就是每个固定周期内，通过增加或者减小当前工作点的输出电压（扰动）。并对扰动前后的输出功率进行采样和对比，如果功率增加就说明扰动方向正确，继续按照前面的方法增加或者减小输出电压；反之，按照前面的方法反方向调整电压。就这样不断地扰动，直到到达或者接近最大功率点。扰动观察法设计思路简单，电路和算法实现并不复杂，对输出功率点基本能够实时跟踪，系统的输出效率较高，但是算法不够严谨，在太阳光照急剧变化时可能会产生误判。电导增量法是通过比较光伏电池的dP/dU来实现最大功率点跟踪（MPPT）。当dP/dU=0，采样点工作在最大功率点；当dP/dU0，采样点工作在最大功率点的左侧。电导增量法对输出变化响应非常迅速，系统的输出效率很高，但因为需要求导运算，算法控制复杂，实现难度较高。本设计采用恒定电压启动和扰动观察相结合的MPPT算法，此算法不是很复杂，且能够实时跟踪输出变化，输出效率很高。

直流变换模块输出的直流电压通DC/DC变换器供给负载，并把多余的能量通过蓄电池储存起来。当夜晚或者阴雨天气时，太阳能电池供电不足，智能切换控制器切换使用蓄电池，给负载供电。

3 反激式 DC/DC变换器设计

反激式DC/DC变换电路的设计指标：输入电压范围13-24V，输出电压12V，最大工作电流10A，电感的纹波电流小于2A，开关频率50KHz，输出电压纹波峰峰值不大于200mV，变压器初级反射电压不高于12V。

具体设计过程如下：

考虑变压器反射电压：，实际选择变压器的匝数比：。

变压器的功率：12×10=120W，变压器选用200W以上。

输入电压最小时占空比达到最大，有：。

计算得到：，。

考虑电感电流连续：

，电感设计要有一定的余量，故选用100μH。

电容的选择。考虑到输出电压纹波：，推导出：C≥480μF。

实际选取电容：额定电容是690μF，额定电压是25V。

MOS开关管的选择。，可推导出。

MOS管最大电流有效值：。

MOS管承受的最大电压：。

所以MOS开关管选定的参数是额定电压50V以上，额定电流为20A。

输出整流二极管的选择：，可以推导出。

二极管输出电流的正弦半波平均值为：。

二极管承受的最大电压为：。

所以二级管关管选择的是额定电压50V以上，额定电流为15A的肖特基二极管。

4 结语

本文设计了一款太阳能直流电源，直流输出电压从3.3V到12V可调，采用反激式DC/DC变换模块，可以给多个家用电子产品供电、充电。