一种风光组合发电系统中的BUCK电路

夏 鹏，韦文生，姚云飞，崔徐佳

（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035）

一种风光组合发电系统中的BUCK电路

夏 鹏，韦文生†，姚云飞，崔徐佳

（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035）

提出了一种针对风光互补发电系统中BUCK电路的稳压方法，利用SG3525芯片的闭环控制调节，可输出精确度高、稳定性好、动态响应快的直流电压．仿真结果表明，符合风光互补发电设备的要求．

风光组合发电；BUCK电路；SG3525；仿真

随着地球上煤、石油等化石能源的逐步枯竭，全球能源危机日益迫近，而风力发电、光伏发电及风光组合发电等新能源发电技术得到了不断完善并推广应用．因为天气、季节的变化，风力发电、光伏发电的输出不稳定，这会直接影响风光组合发电设备系统中BUCK电路的直流稳压输出乃至直流/交流（DC/AC）变换后的交流电的性能，因此，BUCK电路的稳压性能是十分重要的．在风光组合发电设备的DC/AC变换电路中，PWM控制与驱动器集成电路是核心和关键．本文利用Silicon General公司推出的SG3525电流控制型PWM控制器[1]，与HCLP3120光耦驱动芯片共同组成电压调节电路来控制IGBT，为风光互补发电系统的DC/AC变换电路输入稳定的直流电压．仿真结果表明，该电路符合风光互补发电设备的要求．

1 电路原理结构及电路设计

在AC/DC变换之前，风光互补发电系统直流稳压输出的电路结构框图如图1所示．其中BUCK电路的直流输入来自风力发电子系统和光伏发电子系统，分别经AC/DC和DC/DC变换后成为500 V左右的波动直流高压，BUCK电路约350 V的直流稳压输出作为DC/AC逆变器的输入端[2-3]．BUCK电路是指输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单相的脉动直流，经过滤波后得到稳定的直流输出电压的电路．可从输出电压取样，经过SG3525芯片的比较放大，控制脉冲信号，以调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率．PWM信号通过由HCPL3120光耦专用控制芯片的输出信号来控制IGBT的通断，最后实现输出电压的稳定．过压保护电路是通过取样电压变换成电流来判断输出是否过载，并对开关管实行通断控制．由于缺乏实际的风光互补发电系统，另外，前述的500 V左右的波动直流高压也难以用一般电压源代替，因此本文利用模拟的BUCK电路来进行研究，如图2所示，主电路通过电阻分压得到的电压（V–）和SG3525的VREF脚通过分压得到的2.5 V分别输入SG3525的差分运放的反相端（V–）和正相端（V+）并进行比较，脉冲波的频率由SG3525的RT脚所接的电阻和CT脚所接的电容共同决定．SG3525在V–引脚和COMP引脚之间外接了补偿环节[4]，即PI调节器，从而减小了设定值与实际值之间的误差．SG3525的A脚和B脚并联后的脉冲信号驱动光耦HCPL3120的发光管，光敏三极管接收信号后实现光电转化并使输出带负载能力增强．光耦输出接至主电路中IGBT的E端时，并联上一个4.7 V的稳压管，可提高系统的抗干扰性能．

图1 BUCK电路的总体结构框图

图2 模拟的BUCK电路图

2 主要电路分析

2.1 SG3525控制电路参数设计

2.1.1 振荡器振荡频率设置

考虑器件极限开关频率f的影响，如图3所示，频率f与SG3525的6脚对地电阻Rt、5脚对地电容Ct、5脚与7脚之间串入的死区时间电阻Rd有关[5]，有：

综合考虑各方面因素，选择f为40 kHz，因为f达到40 kHz时，Rt和Ct都比较小．考虑到SG3525的A脚和B脚导通时可能会烧坏管子，所以增加了死区电阻Rd，因此，设SG3525的Ct= 10 nF，Rt= 3.2 kΩ，Rd= 10 Ω．

2.1.2 正相（V+）和反相（V–）输入端设置

如图3所示，1脚为内部放大器反相输入端（V–），与2脚内部误差同相输入端（V+）所接的给定电压比较并控制PWM脉冲的宽度．一般假设输出为350 V，图2中的Rf1取139 kΩ，Rf2取1 kΩ，这样反相输入端1的电压V–就在2.5 V左右，正相输入端V+的电压2.5 V作为参考电压VREF．系统降压要求输出脉宽占空比在0.4 – 0.7之间，A、B各自只需互为反相、占空比为0.2 – 0.35左右的脉冲波即可．

图3 SG3525的引脚图

2.1.3 外部控制端SOFT

该端输入的控制信号为低电平时PWM脉冲信号的正常输出．该脚为高电平时，芯片内部工作被关断，封锁PWM输出．在实际应用时，该端外接过流过压等保护输入信号．

2.2 驱动电路

在风光互补发电的逆变系统中，驱动电路的常用方法有变压器驱动、直接驱动、光耦隔离驱动三种[6]．变压器驱动受限于使用频率，不利于PWM信号传输．直接驱动适合小容量无需保护的IGBT应用场合，但为了实现电气隔离，控制电路必须和主电路在物理上分开，故该法也欠妥．光耦隔离驱动则可实现控制电路与主电路的电气隔离．

本方案需要光隔离、保护及驱动等功能，同时考虑PCB小型化、设计成本，选用HCPL3120比较合适．图4中，VCC取24 V，Aout和Bout分别接SG3525的11脚OUTA和14脚OUTB．此处增加两个对立的二极管是为了防止11脚和14脚直接导通．PWM信号通过HCPL3120输出到IGBT的门极，在集电极设置4.7 V，功能上一是设置最低门限电压，二是消去尖峰等杂波，以提高抗干扰性能．在IGBT的G极和E极之间加双向稳压管15 V，进行过压保护．

图4 HCPL3120驱动电路

2.3 整流滤波电路

输出电路原理如图5所示．根据反复调节的经验和关键参数L、C及纹波电压的要求，来确定输出电路的参数．

滤波电感公式为：

滤波电容公式：

其中Ui和Uo分别表示输入电压和输出电压，D表示脉冲占空比，T表示脉冲的周期，f表示脉冲的频率，△iL表示电流纹波．最终电感取10 mH，电容取100 μF/1 000 V，开关管IGBT要满足饱和导通压降小、截止时反向漏电流小、频率特性好、转换速度高、驱动电流小、反向击穿电压高等条件．肖特基二极管D1要选取峰值电流约为1.1 I0、反向耐压最大值等于Ui、恢复时间尽可能短的，在这里选取HFDXI-12H的肖特基二极管，它的峰值电流为12 A，反向耐压为1 200 V，恢复时间为30 ns．

2.4 保护电路

图6为过流保护电路．将0.1 Ω/10 W的电流采样电阻串入主电路中，如果电流过大，在采样电阻上得到的电压超过阈值0.8 V，接至SG3525的10脚将为高电平，从而使输出脉冲电压为零，IGBT截止，整个系统不工作，直至主电路中电流回落变小，系统才能恢复正常．

图5 输出电路原理图

图6 保护电路

3 结果与分析

风光互补发电设备系统对BUCK电路的设计要求为[7]：将风机整流和光能转换后的500 V左右高压降为350 V，且对输出电压和电流保护．因此，设定系统主要参数和器件为：输入直流电压500 – 900 V，IGBT工作频率40 kHz，驱动信号占空比40％ – 70％，输出滤波电感10 mH、滤波电容100 μF/1 000 V，肖特基二极管型号为HFDXI-12H．要求输出电压的负载调节率 ＜ 0.5％，电源调节率 ＜ 0.5％，输出电压纹波率 ＜ 1％．本系统使用Saber软件进行仿真．Saber软件可用于电子、电力电子、机电一体化、控制等由不同类型系统构成的混合系统仿真，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题．Saber设置仿真开始时间为0，停止时间为10 ms，仿真步长为0.1 ms．基于Saber设计的模拟的BUCK电路如图2所示，输出电压直流350 V，最大输出电流5 A，输出电压稳定时间 ＜ 10 ms．为了检测系统在不同负载下的负载调节率和电压纹波率，验证设计的稳压效果，记录了仿真实验数据，如表1、表2所示．

从表1可知，负载电流由0.25 A变换到5 A，输出电压都能稳定在350 V左右，ΔUo仅为1.3 V，负载调节率（351.3 – 352.6）V ÷ 350 V = 0.37％ ＜ 0.5％，而输出电压纹波Ur最大仅有473 mV，输出电压纹波率（473 – 22.1）V ÷ 1 000 ÷ 350 V = 0.14％ ＜ 1％．从表2可知，输入电压由500 V变到900 V，输出电压始终稳定在350 V左右，ΔUo仅为1.5 V，电源调节率（352.8 – 351.3）V /350 V = 0.42％ ＜0.5％．如图7所示，当从空载突变为满载时，输出电压稳定的时间仅有2 ms ＜ 10 ms．仿真实验结果表明，本设计在不同负载下的稳压效果很好．

图7 输出电压波形

表1 不同负载电流时的输出电压及纹波电压 （Ui= 500 V）

表2 不同电压输入时的输出电压 （Io= 5 A）

由于风光互补发电设备对负载调节率、电源调节率、电源纹波率要求并不高[8]，所以本文的BUCK电路符合风光互补发电设备的要求．

4 结论

本文用SG3525控制芯片为风光互补发电设备设计了带有过流保护的BUCK电路．仿真结果表明，所设计的直流稳压输出具有稳定性好、准确度高、动态响应快等优点，符合要求．

[1] 王晓峰, 王京梅. 基于SG3525的开关电源设计[J]. 电子科技, 2011, 24（6）：118-121.

[2] 王培波, 张建成, 钟云. 用于提高可再生能源发电系统电压稳定性的双向DC/AC/DC变换器研究[J]. 华北电力大学学报, 2009, 35（5）：22-26.

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[5] 姜向龙, 尹泉, 赵金. 基于DSP控制器的一种死区补偿策略[J]. 电力电子技术, 2005, 38（4）：44-46.

[6] 冯国雨, 姜斌, 杨志刚, 等. 半桥逆变IGBT模块压电驱动与保护电路设计[J]. 电源技术, 2009, 32（8）：705-708.

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[8] 焦营营, 姚福安. 便携式汽油发电机逆变电源的研制[J]. 机电一体化, 2006, 11（2）：25-29.

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文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

（编辑：王一芳）

2012-04-16

浙江省科技计划项目（2009C31070）；浙江省大学生新苗计划项目（31218585）

夏鹏（1991- ），男，浙江杭州人，研究方向：新能源电力电子技术．† 通讯作者，weiwensheng@ wzu.edu.cn