太阳能电池最大功率跟踪芯片的设计与实现

【摘要】：当今世界,全球经济迅猛发展,特别是作为发展中国家的中国,工业化程度越来越高,对能源的需求也越来越大。然而,传统能源日渐枯竭,同时,消耗传统能源所产生的环境问题也日益凸显,因此,利用太阳能等可再生的清洁能源便成为了当今时代的主题。 由于太阳能电池工作在室外,其工作状态受环境及负载的影响十分剧烈。针对太阳能电池的这一工作特点,最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技术应运而生。传统的MPPT技术应用于整个太阳能电池阵列之后,称之为集总式MPPT结构。但当阵列中的局部电池板受到遮挡,或是各电池板由于老化等原因造成不匹配时,阵列的输出功率将会明显下降,同时局部热斑和隐裂等问题更是成为威胁阵列系统安全的潜在隐患。为了解决上述问题,分布式最大功率跟踪(DMPPT)结构被提出,并得到了快速发展。 本论文在研究各种MPPT技术的基础上,结合DMPPT结构自身的特点,设计了一款可用于太阳能电池阵列DMPPT的芯片,并给出了其应用电路(即MPPT控制器)。芯片采用改进型的扰动观察法,内部集成最大功率跟踪电路所需各模块,输出PWM信号,控制外部DC/DC电路实现负载的等效变换,实现最大功率跟踪的功能。 本课题所设计的DMPPT芯片及控制器相较于已有MPPT控制器,其优势在于： 1.芯片采用模拟电路实现,系统规模小,元器件数量少,版图面积小,成本低。 2.芯片采用与负载无关的改进型扰动观察法,能针对不同负载、不同环境下的最大功率点,实现快速和精确的跟踪。 3.系统采用PWM+burst双模技术,实现系统功率的稳定、高效输出；同时结合电压环闭环负反馈控制,大大降低了DMPPT结构中不同电池模块间的相互干扰。 4.芯片内部集成各种保护、报警电路,可靠性高；同时,系统可集成到太阳能电池板后的接线盒中,降低DMPPT系统因二次安装带来的额外成本。 此DMPPT芯片采用CSMC0.5μm混合信号CMOS工艺流片制造,仿真及测试结果表明,芯片的各项指标达到了设计要求,能够实现最大功率跟踪的功能。 【关键词】：太阳能电池阵列 MPPT控制器 分布式最大功率跟踪 模拟集成电路 DC/DC变换器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 缩略词表7-8
• 目录8-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题背景及意义10-12
• 1.1.1 光伏发电概述10-11
• 1.1.2 最大功率跟踪技术11-12
• 1.2 MPPT国内外研究现状12-18
• 1.2.1 MPPT算法研究12-14
• 1.2.2 MPPT拓扑研究——集总式与分布式(DMPPT)14-16
• 1.2.3 MPPT芯片及MPPT控制器研究16-18
• 1.3 本文研究的内容18-20
• 2 MPPT控制器的系统结构及分析20-46
• 2.1 太阳能电池的输出特性20-25
• 2.1.1 太阳能电池的工作原理20-21
• 2.1.2 太阳能电池的等效电路模型与输出特性21-23
• 2.1.3 部分遮蔽对太阳能电池阵列的影响23-25
• 2.2 MPPT控制器的系统结构及算法分析25-29
• 2.2.1 MPPT控制器的系统结构25-27
• 2.2.2 MPPT算法分析27-29
• 2.3 MPPT控制器的系统稳定性分析29-37
• 2.3.1 反馈环路的分析计算及补偿29-34
• 2.3.2 实际应用中的非理想因素对MPPT控制器环路的影响34-37
• 2.4 MPPT控制器在DMPPT结构中的分析37-46
• 2.4.1 MPPT控制器在DMPPT结构中的静态特性分析37-41
• 2.4.2 MPPT控制器在DMPPT结构中的动态特性分析41-46
• 3 DMPPT芯片的电路结构及设计46-78
• 3.1 DMPPT芯片电路的设计综述46-47
• 3.2 反馈控制模块的电路设计47-54
• 3.2.1 误差放大器47-49
• 3.2.2 锯齿波比较器49-50
• 3.2.3 RS触发器模块50-53
• 3.2.4 驱动电路53-54
• 3.3 MPPT算法模块的电路设计54-65
• 3.3.1 电压电流转换电路与电流检测放大电路54-57
• 3.3.2 模拟乘法器57-60
• 3.3.3 低失调比较器60-62
• 3.3.4 MPPT算法电路与参考电压扰动电路62-63
• 3.3.5 采样时钟产生电路63-65
• 3.4 辅助功能模块的电路设计65-78
• 3.4.1 带隙基准源电路65-68
• 3.4.2 ico振荡器电路68-69
• 3.4.3 burst模式电路69-73
• 3.4.4 差错重启电路73-75
• 3.4.5 过温保护电路75-76
• 3.4.6 其它辅助电路76-78
• 4 DMPPT芯片及控制器的仿真与测试78-102
• 4.1 MPPT控制器及芯片的系统仿真78-86
• 4.1.1 太阳能电池板的spectre建模78-80
• 4.1.2 MPPT控制器及芯片的系统仿真80-84
• 4.1.3 MPPT控制器的跟踪精度仿真84-86
• 4.2 DMPPT 芯片的版图设计86-88
• 4.3 MPPT控制器及芯片的系统测试88-102
• 4.3.1 DMPPT芯片的主要模块测试88-93
• 4.3.2 MPPT控制器及芯片的系统测试93-102
• 5 总结与展望102-104
• 参考文献104-108
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果108

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