夏 鵬，韋文生，姚云飛，崔徐佳

（溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035）

一種風(fēng)光組合發(fā)電系統(tǒng)中的BUCK電路

夏 鵬，韋文生?，姚云飛，崔徐佳

（溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035）

提出了一種針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中BUCK電路的穩(wěn)壓方法，利用SG3525芯片的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，可輸出精確度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的直流電壓．仿真結(jié)果表明，符合風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的要求．

風(fēng)光組合發(fā)電；BUCK電路；SG3525；仿真

隨著地球上煤、石油等化石能源的逐步枯竭，全球能源危機(jī)日益迫近，而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及風(fēng)光組合發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)得到了不斷完善并推廣應(yīng)用．因?yàn)樘鞖狻⒓竟?jié)的變化，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的輸出不穩(wěn)定，這會(huì)直接影響風(fēng)光組合發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)中BUCK電路的直流穩(wěn)壓輸出乃至直流/交流（DC/AC）變換后的交流電的性能，因此，BUCK電路的穩(wěn)壓性能是十分重要的．在風(fēng)光組合發(fā)電設(shè)備的DC/AC變換電路中，PWM控制與驅(qū)動(dòng)器集成電路是核心和關(guān)鍵．本文利用Silicon General公司推出的SG3525電流控制型PWM控制器[1]，與HCLP3120光耦驅(qū)動(dòng)芯片共同組成電壓調(diào)節(jié)電路來控制IGBT，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的DC/AC變換電路輸入穩(wěn)定的直流電壓．仿真結(jié)果表明，該電路符合風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的要求．

1 電路原理結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)

在AC/DC變換之前，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)直流穩(wěn)壓輸出的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．其中BUCK電路的直流輸入來自風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)，分別經(jīng)AC/DC和DC/DC變換后成為500 V左右的波動(dòng)直流高壓，BUCK電路約350 V的直流穩(wěn)壓輸出作為DC/AC逆變器的輸入端[2-3]．BUCK電路是指輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單相的脈動(dòng)直流，經(jīng)過濾波后得到穩(wěn)定的直流輸出電壓的電路．可從輸出電壓取樣，經(jīng)過SG3525芯片的比較放大，控制脈沖信號(hào)，以調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的長短或開關(guān)的工作頻率．PWM信號(hào)通過由HCPL3120光耦專用控制芯片的輸出信號(hào)來控制IGBT的通斷，最后實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定．過壓保護(hù)電路是通過取樣電壓變換成電流來判斷輸出是否過載，并對(duì)開關(guān)管實(shí)行通斷控制．由于缺乏實(shí)際的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，另外，前述的500 V左右的波動(dòng)直流高壓也難以用一般電壓源代替，因此本文利用模擬的BUCK電路來進(jìn)行研究，如圖2所示，主電路通過電阻分壓得到的電壓（V–）和SG3525的VREF腳通過分壓得到的2.5 V分別輸入SG3525的差分運(yùn)放的反相端（V–）和正相端（V+）并進(jìn)行比較，脈沖波的頻率由SG3525的RT腳所接的電阻和CT腳所接的電容共同決定．SG3525在V–引腳和COMP引腳之間外接了補(bǔ)償環(huán)節(jié)[4]，即PI調(diào)節(jié)器，從而減小了設(shè)定值與實(shí)際值之間的誤差．SG3525的A腳和B腳并聯(lián)后的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光耦HCPL3120的發(fā)光管，光敏三極管接收信號(hào)后實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化并使輸出帶負(fù)載能力增強(qiáng)．光耦輸出接至主電路中IGBT的E端時(shí)，并聯(lián)上一個(gè)4.7 V的穩(wěn)壓管，可提高系統(tǒng)的抗干擾性能．

圖1 BUCK電路的總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 模擬的BUCK電路圖

2 主要電路分析

2.1 SG3525控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 振蕩器振蕩頻率設(shè)置

考慮器件極限開關(guān)頻率f的影響，如圖3所示，頻率f與SG3525的6腳對(duì)地電阻Rt、5腳對(duì)地電容Ct、5腳與7腳之間串入的死區(qū)時(shí)間電阻Rd有關(guān)[5]，有：

綜合考慮各方面因素，選擇f為40 kHz，因?yàn)閒達(dá)到40 kHz時(shí)，Rt和Ct都比較?。紤]到SG3525的A腳和B腳導(dǎo)通時(shí)可能會(huì)燒壞管子，所以增加了死區(qū)電阻Rd，因此，設(shè)SG3525的Ct= 10 nF，Rt= 3.2 kΩ，Rd= 10 Ω．

2.1.2 正相（V+）和反相（V–）輸入端設(shè)置

如圖3所示，1腳為內(nèi)部放大器反相輸入端（V–），與2腳內(nèi)部誤差同相輸入端（V+）所接的給定電壓比較并控制PWM脈沖的寬度．一般假設(shè)輸出為350 V，圖2中的Rf1取139 kΩ，Rf2取1 kΩ，這樣反相輸入端1的電壓V–就在2.5 V左右，正相輸入端V+的電壓2.5 V作為參考電壓VREF．系統(tǒng)降壓要求輸出脈寬占空比在0.4 – 0.7之間，A、B各自只需互為反相、占空比為0.2 – 0.35左右的脈沖波即可．

圖3 SG3525的引腳圖

2.1.3 外部控制端SOFT

該端輸入的控制信號(hào)為低電平時(shí)PWM脈沖信號(hào)的正常輸出．該腳為高電平時(shí)，芯片內(nèi)部工作被關(guān)斷，封鎖PWM輸出．在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該端外接過流過壓等保護(hù)輸入信號(hào)．

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的逆變系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路的常用方法有變壓器驅(qū)動(dòng)、直接驅(qū)動(dòng)、光耦隔離驅(qū)動(dòng)三種[6]．變壓器驅(qū)動(dòng)受限于使用頻率，不利于PWM信號(hào)傳輸．直接驅(qū)動(dòng)適合小容量無需保護(hù)的IGBT應(yīng)用場合，但為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離，控制電路必須和主電路在物理上分開，故該法也欠妥．光耦隔離驅(qū)動(dòng)則可實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路的電氣隔離．

本方案需要光隔離、保護(hù)及驅(qū)動(dòng)等功能，同時(shí)考慮PCB小型化、設(shè)計(jì)成本，選用HCPL3120比較合適．圖4中，VCC取24 V，Aout和Bout分別接SG3525的11腳OUTA和14腳OUTB．此處增加兩個(gè)對(duì)立的二極管是為了防止11腳和14腳直接導(dǎo)通．PWM信號(hào)通過HCPL3120輸出到IGBT的門極，在集電極設(shè)置4.7 V，功能上一是設(shè)置最低門限電壓，二是消去尖峰等雜波，以提高抗干擾性能．在IGBT的G極和E極之間加雙向穩(wěn)壓管15 V，進(jìn)行過壓保護(hù)．

圖4 HCPL3120驅(qū)動(dòng)電路

2.3 整流濾波電路

輸出電路原理如圖5所示．根據(jù)反復(fù)調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵參數(shù)L、C及紋波電壓的要求，來確定輸出電路的參數(shù)．

濾波電感公式為：

濾波電容公式：

其中Ui和Uo分別表示輸入電壓和輸出電壓，D表示脈沖占空比，T表示脈沖的周期，f表示脈沖的頻率，△iL表示電流紋波．最終電感取10 mH，電容取100 μF/1 000 V，開關(guān)管IGBT要滿足飽和導(dǎo)通壓降小、截止時(shí)反向漏電流小、頻率特性好、轉(zhuǎn)換速度高、驅(qū)動(dòng)電流小、反向擊穿電壓高等條件．肖特基二極管D1要選取峰值電流約為1.1 I0、反向耐壓最大值等于Ui、恢復(fù)時(shí)間盡可能短的，在這里選取HFDXI-12H的肖特基二極管，它的峰值電流為12 A，反向耐壓為1 200 V，恢復(fù)時(shí)間為30 ns．

2.4 保護(hù)電路

圖6為過流保護(hù)電路．將0.1 Ω/10 W的電流采樣電阻串入主電路中，如果電流過大，在采樣電阻上得到的電壓超過閾值0.8 V，接至SG3525的10腳將為高電平，從而使輸出脈沖電壓為零，IGBT截止，整個(gè)系統(tǒng)不工作，直至主電路中電流回落變小，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常．

圖5 輸出電路原理圖

圖6 保護(hù)電路

3 結(jié)果與分析

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)對(duì)BUCK電路的設(shè)計(jì)要求為[7]：將風(fēng)機(jī)整流和光能轉(zhuǎn)換后的500 V左右高壓降為350 V，且對(duì)輸出電壓和電流保護(hù)．因此，設(shè)定系統(tǒng)主要參數(shù)和器件為：輸入直流電壓500 – 900 V，IGBT工作頻率40 kHz，驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比40％ – 70％，輸出濾波電感10 mH、濾波電容100 μF/1 000 V，肖特基二極管型號(hào)為HFDXI-12H．要求輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)率 ＜ 0.5％，電源調(diào)節(jié)率 ＜ 0.5％，輸出電壓紋波率 ＜ 1％．本系統(tǒng)使用Saber軟件進(jìn)行仿真．Saber軟件可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、控制等由不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，可以解決從系統(tǒng)開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問題．Saber設(shè)置仿真開始時(shí)間為0，停止時(shí)間為10 ms，仿真步長為0.1 ms．基于Saber設(shè)計(jì)的模擬的BUCK電路如圖2所示，輸出電壓直流350 V，最大輸出電流5 A，輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間 ＜ 10 ms．為了檢測系統(tǒng)在不同負(fù)載下的負(fù)載調(diào)節(jié)率和電壓紋波率，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓效果，記錄了仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1、表2所示．

從表1可知，負(fù)載電流由0.25 A變換到5 A，輸出電壓都能穩(wěn)定在350 V左右，ΔUo僅為1.3 V，負(fù)載調(diào)節(jié)率（351.3 – 352.6）V ÷ 350 V = 0.37％ ＜ 0.5％，而輸出電壓紋波Ur最大僅有473 mV，輸出電壓紋波率（473 – 22.1）V ÷ 1 000 ÷ 350 V = 0.14％ ＜ 1％．從表2可知，輸入電壓由500 V變到900 V，輸出電壓始終穩(wěn)定在350 V左右，ΔUo僅為1.5 V，電源調(diào)節(jié)率（352.8 – 351.3）V /350 V = 0.42％ ＜0.5％．如圖7所示，當(dāng)從空載突變?yōu)闈M載時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定的時(shí)間僅有2 ms ＜ 10 ms．仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)在不同負(fù)載下的穩(wěn)壓效果很好．

圖7 輸出電壓波形

表1 不同負(fù)載電流時(shí)的輸出電壓及紋波電壓 （Ui= 500 V）

表2 不同電壓輸入時(shí)的輸出電壓 （Io= 5 A）

由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備對(duì)負(fù)載調(diào)節(jié)率、電源調(diào)節(jié)率、電源紋波率要求并不高[8]，所以本文的BUCK電路符合風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的要求．

4 結(jié)論

本文用SG3525控制芯片為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)了帶有過流保護(hù)的BUCK電路．仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓輸出具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，符合要求．

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A kind of BUCK Circuit in Wind-photovoltaic Hybrid Generator System

XIA Peng, WEI Wensheng, YAO Yunfei, CUI Xujia
（College of Physical and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035）

A kind of stabilized voltage method for BUCK circuit in w ind-photovoltaic hybrid generator system is proposed in this paper, which can output DC steady voltage w ith high precision, good stability and fast dynam ic response via utilizing closed-loop control function of SG3525 chip. The simulation results indicate that the output of DC voltages satisfies the requirement of the w ind-photovoltaic hybrid generator.

Wind-photovoltaic Hybrid Generator, BUCK Circuit, SG3525, Simulation

TP273

A

1674-3563（2013）01-0057-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2013.01.011 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

（編輯：王一芳）

2012-04-16

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009C31070）；浙江省大學(xué)生新苗計(jì)劃項(xiàng)目（31218585）

夏鵬（1991- ），男，浙江杭州人，研究方向：新能源電力電子技術(shù)．? 通訊作者，weiwensheng@ wzu.edu.cn