脉宽调制稳压技术在温差发电系统中应用研究

王振丰 杨成录 徐苴邴 姚周锋

摘要：随着塞贝克、汤姆逊、伯耳帖等热电效应运用领域的拓展，半导体材料及其加工技术的发展，半导体热电转化效率逐渐提高，半导体温差发电在小型智能家居有了应用的可能。资料表明：半导体温差发电材料的热电效率可以达到15%左右。因此，仅仅是通过热电材料的更新换代来提高温差发电效率还是不够完善的，本文设计了一种利用脉宽调制技术提高发电效率的方法，通过在电压输出时对其进行可控调制，以达到提高温差发电过程的效率，具有一定的实用性和推广价值。

关键词：温差发电;脉宽调制技术;可控

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2019）13-0026-01

Abstract：with the expansion of the application of seebeck， Thomson， Bertie and other thermoelectric effect， the development of semiconductor materials and processing technology， semiconductor thermoelectric conversion efficiency has gradually improved， semiconductor thermoelectric power generation in small smart home applications. The data show that the thermoelectric efficiency of semiconductor thermoelectric materials can reach about 15%. Therefore， only by upgrading of thermoelectric materials to improve the efficiency of thermoelectric power generation is not perfect， this paper designed a kind of electricity generation by using pulse width modulation technology to improve the efficiency of the method， through to the output of the voltage controlled modulation， so as to improve the efficiency of the thermoelectric power generation process and has certain practicability and popularization value.

Key words：thermal power generation; Pulse width modulation technology; controllable

現阶段国内外直流稳压控制方式有发电装置输出电压外部调节和内部调节两类。由于发电装置内部温差不易调节，本设计采用直接对半导体发电装置输出电压外调节控制，常用的调节方法有：数字电压调节法、能耗分流法以及电容补偿法等。

1 数字电压调节法

其工作原理是将接收来的模拟信号转换为数字信号，把修改、删除、强化后的信号再转回实际环境格式。数字信号处理系统集计算机技术、信号处理技术及电子技术于一体，该数字电路中没有电子元件物理特性、温度、机械振动等带来的误差影响，且处理信号的速度更快，抗干扰能力更强[1]。但该系统由耗电的有源器件构成，可靠性能无法得到保障，不仅需要模数转换，而且受采样频率的限制，处理频率范围有限。如图1-1所示。

2 能耗分流稳压法

直流电源为蓄电池及负载充电，当负载端电压处于预先设定的电压值时，可控硅因得到触发电路的触发信号而导通，蓄电池和负载避免了过充电，但因能耗多、效率低且发热明显而即将淘汰，对此后续有人进行优化而设计出的并联式电子调节器则是通过可控硅的通断来实现稳压调节功能。通过这种能耗分流稳压方法可以将电路中的多余能量消耗掉，但由于受到元件散热能力的限制而在小功率发电系统中更为常用。

3 电容补偿稳压法

电路电容的作用是使输出的电压为稳定的直流电压，当直流电压低于电容电压时电容就会放电进行补偿，当直流电压高于电容电压时电容就会充电，周而复始，通过放电和充电的反复来保持输出电压的稳定性。电容补偿方法的优点是电路较为简单，通过电容补偿稳定电压的方法来调节电压到基准值，但是逐级调节的精度较低且不平滑，稳压效果较差。

4 PWM脉宽调制稳压法

半导体的温差发电的开关稳压电源集成控制器大多为它激型，控制电路有脉频调制控制、脉宽调制控制、脉宽脉频混合调制控制三种。脉冲宽度调制是在工作频率恒定的情况下通过对控制电路的输出电压进行反馈改变导通时间来改变占空比。这种控制方式主要是运用微处理器的数字输出来控制模拟电路，使用较为方便灵活[2]。区别于并联式电路的瞬时短路实现稳压的方式，该电路通过相应工况时的通断时间来改变开关管占空比实现稳压控制，所以功耗更低，且其升降双向稳压功能更能保证输出稳定电压。其控制方式电路方框图如图4-1所示。

虽然温差发电可以使用多种稳压技术来实现，但固有频率的调宽控制技术是比较成熟的，且其稳压能力对转速、负载等与运行工况有关的参数依赖性小，具有较高精度和较高效率，在开关管导通和截止时功耗较小，而功耗减小，散热器也随之减小，效率可高达65%～85%，有利于温差发电装置的推广，再加上其优越的经济型、适用性，故成为本设计的首选。

5 基于脉宽调制的TL494芯片功能及特点

TL494系列是一种开关PWM型电源集成控制器，属固定频率电压控制型PWM控制器，所谓电压控制型脉宽调制器是按照反馈电压来调节脉冲宽度的，其具有以下特点：1.单端输出工作电路;2.内置线性振荡器，外置电容电阻振荡元件;3.片内5V参考基准电压源;4.驱动输出级功率晶体管电流达500mA;5.死区时间可调;6.具有欠电压封锁功能;7.芯片内置两个误差放大器：8.输出电压不大于41V：9.集成完整的PWM控制电路。

6 脉宽调制稳压控制电路工作原理

6.1当检测电压比基准电压低时，误差放大器的同相输入端引脚1的电压低于误差放大器的反相输入端引脚2的电压，PWM信号的脉冲较窄，则该芯片的末级输出晶体管1和末级输出晶体管2的导通时间较短，从而引脚8和11为低电平的时间较长，触发电路的导通时间较长，所以功率晶体管的开通时间较长，导致输出电压升高。如图6-1所示。

6.2当检测电压比基准电压高时，误差放大器的反相输入端引脚2的电压低于误差放大器的同相输入端引脚1的电压，PWM信号的脉冲变宽，则该芯片的末级输出晶体管1和末级输出品体管2的导通时间变短，从而引脚8和11为低电平的时间变短，触发电路的导通时间就变短，所以功率晶体管的开通时间就变短，导致电路输出降低。如此循环工作，使之稳定在期望的电压范围内。

参考文献：

[1]周子鹏.半导体温差发电装置的研制[D].河北工业大学，2008（3）.

（指导老师：祝月红）