带MPPT的同步降压电路的设计-开题报告
目录
一、背景说明
二、基本原理
三、研究的目的及意义
四、研究的主要内容
五、研究的主要方法和手段
一、背景说明
我在公司任职已经快一年了，然而，发现手头接触到的太阳能灯具全都是光伏电池加二极管连接到线路板中的形式。然后太阳能量可能只经过该二极管，或许经过了锂电池充放电保护IC，即和锂电池连接。以功率转换的角度，这样的连接方式的效率是很低的。
公司大概是以性价比的角度，觉得增加线路元器件，即增加线路板硬件成本、又增加空间的使用以至于增加模具成本。但是这是以牺牲性能为代价的。太阳能充电一直是研究的热点，只是在国内，个人分析，有以下几个原因太阳能充电无法普及。
一、应用面较窄；由于太阳能板的特性，太阳能充电时，太阳能板需要正对着太阳光。同时，虽然太阳能量是否充沛，但是大气层的气候变化比较复杂。能到达地面的太阳能是断断续续的。
二、市场上的收益较少；人们在市场上的决定大多数都是为了利益。太阳能设备比较昂贵，前期投资较大。然而目前国内属于较大大规模产电，家庭发电与之对比规模十分小。市电电费较低，而回本周期较长。有部分地区，则需要政府补贴，家庭太阳能发电才得以维持。
三、需要人员定时维护。太阳能发电时，需要太阳能充沛，是白天。通常会配置有太阳能储能设备。要使储能设备作为电源对外供电，则可以通过人员手工接线甚至搬运储能设备、或者是外接线路和控制器，通过操作控制器实现储能设备作为供电设施投入使用。
目前，太阳能灯由于卖点是清洁能源。而功率较低，因此可以另当别论。为了不牺牲灯具的太阳能充电性能，需要研发一款低成本的带MPPT的直流-直流变流器。内嵌入本公司已有的灯具产品中。提升了技术含量后，可以重新在性能和价格上面进行取舍，也可以让大家多一个选择。
二、基本原理
同步降压变流器的拓扑结构如图1。同步降压变流器由降压Buck电路转变为来。由于是用于太阳能供电，因此输入功率由光伏电池提供。本系统采用多个光伏电池。多个光伏电池和单个光伏电池的光伏特性曲线有所差异，多个光伏电池串联的波形更复杂，但是可以进行更加灵活的配置，更有研究意义。同步降压变流器主要由功率开关Q1和Q2、储能电感L1、滤波电容C1构成。功率开关Q1和Q2可采用MOS管，通过控制MOS管的栅极-源极电压，可以控制MOS管的导通。在Q1导通时，L1储能。当Q1关断，L1通过Q2或者D11为负载提供短暂性的电源。
图1 同步降压变流器拓扑结构
其工作模式请见图2-图4。在工作模式1中，电源经过Q1，为L1、C1和负载提供电源。
图2. 同步降压工作模式1
在工作模式2中，控制了Q1关断，由于同一个桥臂的两个开关管不可同时导通，在上下管子切换之间，有一段死区时间。在死区时间内，Q1和Q2都处于关断状态。此时，储能电感L1经过Q2的反并联二极管D11能短暂性地为负载提供能量。
图3. 同步降压工作模式2
图4. 同步降压工作模式3
在工作模式3中，控制信号让Q2导通。此时，由于MOS管Q2的导通电压近似为0，而二极管D11的导通电压约为0.7V。MOS管导通能比二极管导通具有更加少的导通阻抗，因此具有更低的功率损耗。同步降压正常工作的模式只有以上三种。
储能电感L1对直流信号不起作用，但是在较快速的开关切换中，经过L1能量的传递方向一直在切换，因此电感L1在此时能起到储能作用。
本系统中，只使用多组串联，并没有并联。太阳能板串联时候，特意在每个太阳能板并联了一个二极管。假如每个太阳能板具有相同的电流输出，则二极管处于关断状态。假如某个太阳能板所能输出的电流比其他的太阳能板的低，那么该太阳能板起不到电源的作用，反而会以发热的形式消耗功率。此时并联二极管导通，保护了该太阳能板不被大电流烧坏。
接下来，研究太阳能板光伏特性曲线。
假设我们的每块太阳能板在STC的参数下，开路电压是44.2V，短路电流是5.29A。
则单块太阳能板的波形见图5。
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| (a) 电压-电流曲线 | (b) 电压-功率曲线 |
以下讨论当同一型号的太阳能板串联的光伏特性曲线。太阳能板的开路电压都是开路电压是44.2V，短路电流是5.29A。若两个太阳能板串联，当两个太阳能板具有相同的光照、发热情况，则光伏特性曲线会是图6中的红色线。但是，如果有一个太阳能板收到遮挡，或者发热轻度不同，短路电流会下降。光伏特性曲线会是图6中的蓝色线。
三个太阳能板串联的光伏特性曲线，如图7所示。
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| (a) 电压-电流曲线 | (b) 电压-功率曲线 |
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| (a) 电压-电流曲线 | (b) 电压-功率曲线 |
三、研究的目的及意义
上一节我们讨论了有遮挡的情况下、不同串联数目的太阳能板的光伏特性曲线。太阳能板串联组的输出功率和工作电压有关。假如采用传统的太阳能板加二极管加电池的形式，太阳能板的工作电压会受到电池的影响，因此在电压-功率曲线上的工作状态点会受到影响，不是处于最大功率点。那么会浪费掉太阳能功率。
为了增加能源利用率，在太阳能板和电池组之间增加一级直流-直流换流器。直流-直流换流器本身具有功率转换效率，可理解成输入功率经过一定消耗后，剩余的功率全部注入到负载。而换流器在带载情况下，输出功率是可控的。调整输出功率，从而改变换流器的输入功率。以至于调节太阳能板的输出功率点。
同时，在研发了第一代样机后，在算法上实现了多种MPPT算法。可以对比不同的MPPT算法的实现起来的难易程度，即在单片机中的代码量、计算量、算法执行时间，还有不同算法的鲁棒性对比。
之后可以选择一款性价比更高的单片机，移植相关的代码。进一步优化成本，让现有的太阳能感应灯在充电效果上性能提升档次。
同时，多点技术上的积累，有助于公司在同行中保持中上游的地位。
四、研究的主要内容
本项目主要是一款实现MPPT算法的数控电源，系统框图见图8。
图8. 系统框架
线路板上具有多路光伏电池接口、同步降压变流器主电路、负载接线头、微控制器控制板、MOS管驱动电路、电压电流采样电路。
初版设计中，各部分的设计要求如下：
光伏电池接口设计要求：
- PCB上布局合理，整齐；
- 为每个光伏电池设置板载的反并联二极管；
同步降压变流器主电路设计要求：
- 输入功率20V以下，5V以上；最大电流为2A。
- 每个元器件选型合理，耐压和额定电流要留够合适余量。
- PCB中，开关切换频率高的要放置得紧凑点，避免EMI，增加系统稳定性。
- 需要有过流保护、过压保护；
MCU控制板设计要求：
1、MCU采用STM32F103C8T6。配合STLINK仿真器，调试便利。同时接口比较齐全，数据可通过串口上传到上位机显示，方便实时调试。同时性能比较充足，足够实现一般的数字电源算法。
2、有指示灯功能；
3、多余的IO口要引出，便于外扩模块。
驱动电路设计要求：
- 输入信号是3.3V。
- 输出信号要足以让MOS管充分导通，最大电压不超过输入电压。
- 采用三极管和电阻等分立器件。便于降低成本。
上述是硬件要求，设计好硬件后，需要对板载的MCU进行编程、调试。在算法上，需要对同步降压变流器进行闭环控制。闭环控制器使用PID控制器。从简单到复杂。先编程实现电压环单环控制算法，如图9所示。
图9. 同步降压换流器闭环控制算法1
图10. 同步降压换流器闭环控制算法2
随后，可以根据项目时间、项目进展情况，判断是否需要进行闭环控制算法。闭环控制算法中，增加了电流内环。双环控制算法是电压外环和电流内环。通过增加了电流内环，对电流的变化其反应，能增加系统的鲁棒性。
双环控制是可选的，因为会增加了运算量，在低端的MCU中可以难以胜任复杂的计算。但MPPT算法是必须的。
控制太阳能板最大功率点的算法称为MPPT（Maximum power point tracking，最大功率点跟踪）。目前常用的MPPT算法有1、扰动-观察法。2、电导增量法。3、恒定电压法。另外还有粒子群算法。
扰动-观察法是通过以固定增量，改变光伏电池组的工作电压，观察改变工作电压后的输出功率跟之前的对比是否有增加。扰动的目的是尝试找到最大功率点。假如输出功率变低了，则采用相反的反向进行扰动。该方法的不足之处是，当光照处于变化之中，扰动-观察法容易失控。优点是在逻辑上，比较简单，因此最容易实现。
在研发周期内，需要把上述的方法都在MCU中实现一遍。需要实现不同的MPPT算法并对比。分别在算法代码量、运算量、算法实时性，带载切换时波形等多方面进行算法评估。
随后，准备多次减少成本，让本变流器整体可以内嵌到灯具中。并制作相应的BOM。
五、研究的主要方法和手段
理论上的研究，需要多阅读论文。
在实验平台中验证理论，需要细心调试。
单片机调试需要软硬件结合。手头上的工具有示波器、万用表、电烙铁、STLINK仿真器。在调试变流器的闭环控制时，需要把波形数据实时上传到电脑中，电脑上使用波形显示工具，这样可以实时调试PID参数。