MPPT電路設計

反激的具體計算過程要寫好起碼要一天,所以本次先更MPPT。這章不計算具體參數,只做分析。

目錄

一、電路作用

二、電路設計

采樣電路和輸入電路

主體電路

驅動電路


一、電路作用

MPPT電路是一種廣泛應用于光伏發電、風力發電等新能源系統中的關鍵電路,其核心功能是實時追蹤能源轉換裝置(如光伏電池板、風力發電機)的最大功率輸出點,從而最大限度地提高能源利用效率。?

在實際工作中,光伏電池板的輸出功率會受到光照強度、環境溫度、負載變化等多種因素的影響,其輸出特性(電壓 - 電流關系)呈現非線性,只有在特定的電壓和電流組合下才能輸出最大功率,這個點被稱為最大功率點。如果沒有 MPPT 電路,系統往往只能工作在固定的電壓或電流下,無法隨外界條件變化調整,導致大量能源浪費。?

這里我需要專門提一點:很多文章在寫MPPT時會把它和一些電路寫在一起,那是一種簡略寫法,實際上這些標題都是在表明,這是一種具有最大功率點跟蹤控制的xx電路

MPPT 電路的工作原理基于閉環控制:首先通過采樣電路實時檢測能源轉換裝置的輸出電壓和電流,計算出當前的輸出功率;然后由控制芯片(如單片機、DSP、專用 MPPT 控制器)采用特定的追蹤算法(如擾動觀察法、增量電導法等)判斷當前工作點與最大功率點的偏差;最后通過控制功率變換電路(如 DC-DC 變換器,包括 Boost、Buck、Buck-Boost 等拓撲結構)調整輸出電壓或電流,使系統始終穩定在最大功率點附近運行。?

常見的 MPPT 電路拓撲結構根據應用場景不同而有所差異。小型光伏系統中,常采用 Boost 變換器,它能將光伏板的低壓輸出提升至更高電壓,同時實現最大功率跟蹤;對于需要降壓的場合,Buck 變換器更為適用;而在一些對電壓調節范圍要求較寬的系統中,Buck-Boost 或 SEPIC 變換器則是理想選擇。?

除了核心的功率變換和控制部分,MPPT 電路通常還包含保護電路(如過壓保護、過流保護、短路保護)、濾波電路(減少輸出電壓的紋波)以及通訊接口(用于與上位機或監控系統進行數據交互)等輔助模塊,以確保系統的穩定、安全運行。?

如今,MPPT 技術已成為提高新能源系統發電效率的核心技術之一,隨著新能源產業的快速發展,MPPT 電路的效率、響應速度和可靠性也在不斷提升,逐漸出現了兼具直流轉交流和MPPT跟蹤功能的微型逆變器,而以GaN為主的具有高頻特性的功率器件也被大量應用于其中。

二、電路設計

采樣電路和輸入電路

以用于大功率場合的MPPT BOOST電路為例,電路需要同時實現母線電壓穩定以及光伏電池最大功率點追蹤這兩個功能。因此,需要在光伏電池輸入端設置電壓電流采樣點,電流采樣根據成本和精度的平衡,選擇電流互感器或者霍爾電流采樣器;輸出端需要保持恒壓狀態,因此再接一個電壓采樣。

濾波器一般采用有源濾波的方式,利用放大器對輸入的強電和輸出的弱電之間進行隔離;采樣所得的信號一般被控制在3.3V以下,以匹配控制芯片IO口的輸入電壓;根據實際情況確定截至頻率,明確RC的參數,保證在濾除雜波的同時最大限度的采樣到完整電壓電流。

當光伏電池連接到MPPT的線束過長時,輸入端會存在電磁干擾問題,即可能受到外界干擾,也可能因為MPPT的高頻開關轉換而對外界產生干擾。為此,在部分情況下,會在輸入端接入EMC濾波電路,即共模電感+Y電容+X電容的組合。

主體電路

以BOOST為例,主體電路包括輸入輸出電容、輸入端電流傳感器、大電感、開關管(IGBT和MOS都可以,功率很大就用IGBT,開關頻率大就用MOS,IGBT的頻率一般到20kHz以上就上不去了)開關管周圍的snubber電路、用于優化其驅動波形的柵源間的電容電阻、續流二極管或者替代它的MOS管。

具體我就不詳細展開了,有需要的直接在CSDN里搜boost電路就行。

驅動電路

器件(七)—MOS管選型及驅動電路設計(以UCC21530和EG2104為例)_mos管驅動芯片-CSDN博客

驅動電路的設計可以看這里。

針對高壓工作下的MOS管,驅動電路還需要補充以下幾個點

  1. buffer電路:buffer電路的作用是增加驅動電流。控制芯片上輸出的電壓一般也就不超過3V,完全帶不動用于高電壓下的MOS管,所以必須加1~2個buffer電路,來增加信號的驅動能力。
  2. 隔離:這里記住,凡是弱電和強電之間出現信號交流的,一定要隔離。選用電容隔離的驅動芯片,輸入和輸出接不同地,避免強電弱電相互干擾。
  3. 輸入端RC濾波:這個不多說,按照需要設置就行,直接根據芯片參數手冊里的參考設計方式設置就可以。
  4. 輸出端防過壓:為了避免輸出端電壓過大,一般會在驅動信號輸出端接一個15V~20V的TVS管,同時反接一個大概5V左右的TVS管,防止負電壓關斷時過沖。
  5. 驅動電阻:這個設置的目的就是防止開關過程中驅動電壓過沖,一般設置5~20Ω就行,具體參數建議仿真。
  6. 開爾文連接:器件(八)—芯片封裝中的開爾文源極-CSDN博客?開爾文源極的好處可以看這里,省流版就是防過壓。

此外,由于有部分MPPT板是接在一個大電路里,而不是單獨作為一個產品工作,需要對MPPT板的上下電進行控制,因此驅動電路的電源可以通過小型電源轉換器得到。控制MPPT板通斷的信號在經過buffer電路后,給電源轉換器供電,電壓信號升壓至15~20V后給驅動芯片的副邊供電,控制MPPT的上電和下電。

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