太陽能LED照明系統中BUCK電路的設計

李 燕

(咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

引言

在太陽能LED照明系統中，由于太陽能電池的輸出是直流電，如果直接將太陽能電池與蓄電池連接，進行充電，太陽電池的輸出電壓是變化的，有可能低于蓄電池的電壓，因此要接一個防電流倒灌的二極管將蓄電池與太陽能電池相連[1-6]。目前市場上絕大部分太陽能路燈都是通過這種方式充電的。該方案的優點是電路簡單，實現難度小，成本低。但缺點是太陽能電池的最大輸出工作電壓被箝位在蓄電池的電壓值，如果被充電的蓄電池為12 V，則太陽能電池的最大輸出工作電壓被箝位在12 V，這將使太陽能電池的的輸出功率大幅度降低，充電效率也大打折扣。

本文針對基于太陽能發電的獨立光伏LED照明系統中DC/DC變換電路進行了參數設計、仿真及實驗分析。該設計能夠減少能量損耗以及提升整體充電效率，延長蓄電池壽命，對于負載曲線是非線性的軟特性電源，如燃料電池、太陽能電池、風力發電機非常適用。

1 BUCK變換器電路原理

從圖1可以看出，獨立光伏LED照明系統由太陽能電池、DC/DC變換電路、蓄電池、光感應電路、微控制電路、LED驅動電路和LED光源組成。其工作原理是在白天有光照的情況下，由微處理器根據相關控制算法，控制太陽能電源充電電路，使其以升壓或者降壓的方式將太陽能電池能量以最大功率給蓄電池充電。

圖1 獨立光伏LED照明系統的結構框圖Fig.1 A stand-alone LED and photovoltaic lighting systen

太陽電池的輸出是一個隨光照條件、溫度等因素變化的復雜變量。圖2所示為太陽能電池在標準測試條件下，即光照強度為1 kW/m2，溫度T=25 ℃ 時的典型伏安特性圖。

圖2 太陽能電池的典型輸出特征曲線Fig.2 Typical characteristic of solar cell output

由圖2可以看出，太陽能電池是一個內阻比較大的電源，隨著照在太陽能電池上的光的強度以及溫度的變化，其內阻跟著變化的。

在太陽能電池與蓄電池之間加入DC/DC變換電路，通過對其控制，調節太陽能電池的最大輸出工作電壓，使其穩定在如圖2所示的P點，使電池組件的輸出功率在任何情況下都達到最佳值。本文選擇太陽能電池輸出電壓為18 V和蓄電池電壓為12 V，設計了一個基于MPPT算法的小功率BUCK變換電路，如圖3所示。

圖3 基于MPPT算法的BUCK變換電路Fig.3 BUCK transform circuit based on MPPT algorithm

2 DC/DC變換電路設計

DC/DC變換電路以單片集成開關降壓穩壓器LM2596的可調輸出電壓版本LM2596-ADJ為核心，D1(SS36)采用壓降小的肖特基二極管，用于防止電源接反，R14為太陽能電池輸出電流采樣電阻，其兩端與電流采樣放大電路連接。R7、R15和R8、R16分別構成太陽能電池輸出電壓和蓄電池電壓采樣電路。LM2596-ADJ的第5引腳為使能引腳，與微處理器連接，用于控制LM2596-ADJ是否工作，如圖4所示。

1)輸出電容的選擇。在大多數的應用中，輸出濾波電容C14、C15應該選擇低等效電阻的電容，如圖4所示，如果是電解電容，容值應在82～820 μF之間；如果是鉭電容，容值應在10～470 μF之間，本電路采用兩個330 μF電容并聯，容值和為660 μF，能進一步降低等效電阻，且提高系統的可靠性，即使一個電容失效，系統還能正常工作。輸出電容的耐壓值應該至少是輸出電壓的1.5倍，有時，為了得到紋波低的輸出電壓，需要選擇更高的電容耐壓值，本系統的輸出電壓是12 V，輸出電容的耐壓值大于18 V，故系統選擇耐壓35 V的電解電容。

圖4 DC/DC變換電路Fig.4 DC/DC converter

2)續流二極管的選擇。續流二極管D2(圖4)的最大承受電流能力至少要為最大負載電流的1.3倍，如果設計的電源要承受連續的短路輸出，則續流二極管得到最大承受電流能力要等于LM2596的極限輸出電流，對于續流二極管來說，最壞的情況是過載或者輸出短路。本系統所需的二極管開關速度很快，正向壓降低，因此采用的SS36為肖特基二極管，其工作電流為3 A，耐壓為60 V，該二極管的性能和效率都很好，特別是在低輸出電壓的情況下更是如此，使用超快恢復或者高效整流二極管效果也很好，恢復時間為50 ns或者更快。

3)輸入電容的選擇。為了防止在輸入端出現大的瞬態電壓，在輸入端和地之間要加一個低等效電阻的鋁電解電容或者鉭電容作為旁路電容，這個電容要靠近IC。另外，輸入電容C2電流的均方根值至少要為直流負載電流的一半，確保所選電容的這個參數不能低于直流負載電流的一半。對鋁電解電容，耐壓值要為最大輸入電壓的1.5倍，故系統采用1 000 μF/25 V的鋁電解電容。

本系統的MPPT算法采用基于導納增量控制法的定步長MPPT，其流程圖如圖5所示。導納增量法通過比較太陽能電池的瞬時電導和電導的變化率，改變DC/DC變換器的控制量，從而達到實現MPPT的目的。導納增量法穩定度高，控制效果好。由于太陽能電池的P-V曲線是單峰曲線，不會因為外界環境條件的變化而改變其單峰曲線的特性，因此采用導納增量法進行最大功率跟蹤沒有原理性的誤差。

圖5 導納增量法MPPT算法流程圖Fig.5 Admittance incremental method MPPT algorithm flow chart

3 系統仿真

由于系統中的蓄電池的電壓低于光伏電池陣列的輸出電壓，因此本文采用降壓變換器模擬仿真最大功率跟蹤。本設計中所用的BUCK電路實際工作占空比約為0.8，剛好對應跟蹤光伏電池板的最大功率點所需要的占空比，也就是說明當采用光伏電池板作為輸入電源時，可以跟蹤上最大功率點(圖6)。

圖6 導納增量法輸出功率和占空比變化曲線Fig.6 Admittance incremental method power and power duty cycle curve

通過仿真分析發現，導納增量法具有以下兩個特點：

1)最大功率點運行平穩，波動??；

2)當周圍環境變化時可以迅速跟蹤，但算法較為復雜。

4 實驗結果與分析

基于BUCK電路的DC/DC變換電路作用是將輸入的15 V電壓變換成12 V電壓供后級使用。

空載時前級BUCK電路的實驗波形如圖7所示，其中CH1為前級BUCK輸入電壓，CH2為輸出電壓，CH3為前級開關管驅動電壓波形。前級輸入直流電壓約16 V，由直流電源提供，用來模擬光伏電池板在最大功率點時的輸出電壓，為整個系統提供電源，經過BUCK電路穩壓控制后，穩定輸出約12.6 V的直流電壓，從圖7可以看出，此時占空比約為0.8，開關管的驅動脈沖在空載時存在一定的振蕩現象，這是由于BUCK電路的電感內部儲存的電磁能在電路空載時泄放得較慢，開關斷開時容易與功率開關柵源極間的寄生結電容發生諧振。

圖7 前級BUCK電路空載時波形Fig.7 Waveform when former BUCK circuit with no-load

連接光伏電池板、前級BUCK電路在輕載時的實驗波形，如圖8所示。溫度25 ℃、光照強度為1 000 W/m2時，光伏電池板的開路電壓為21 V，最優電壓為16.8 V。負載電阻為500 Ω，CH1為前級BUCK輸入電壓，CH2為輸出電壓，CH3為前級開關管驅動電壓波形。從圖8可以看到，輸入電壓約15.5 V左右，這是溫度和光照強度都不標準造成的，輸出電壓約12.6 V，此時在帶載的情況下，驅動脈沖沒有出現圖8振蕩的現象。

圖8 前級BUCK電路在輕載時實驗波形Fig.8 Waveform when former BUCK circuit with light load

通常情況下，光伏電池板的最大功率點對應的最優電壓約等于開路電路的0.75～0.8倍，本文設計中所用的BUCK電路實際工作占空比約為0.8，正好對應跟蹤光伏電池板的最大功率點所需要的占空比，因此可以間接說明當采用光伏電池板作為輸入電源時，可以跟蹤上最大功率點。另外，經過計算，后級BOOST電路等效的負載電阻約為50 Ω，因此在做前級BUCK電路實驗時，接入50 Ω的電阻來模擬額定負載，實驗波形如圖10所示，CH1為前級BUCK輸入電壓，CH2為輸出電壓，CH3為前級開關管驅動電壓波形。此時輸入電壓依然在15.5 V左右，輸出電壓約12.4 V，圖8～圖10說明前級的BUCK電路可以實現將15.5 V左右的電壓轉換成后級所需的12.5 V電壓，達到了設計要求。

圖9 前級BUCK電路在額定負載時的實驗波形Fig.9 Waveform when former BUCK circuit with rated load

5 結束語

太陽能LED照明系統中，DC/DC變換器有兩個作用：調節太陽能電池的工作點，使其工作在最大功率點處；限制蓄電池充電電壓范圍。筆者對太陽能發電的獨立光伏LED照明系統中DC/DC變換電路進行了參數設計、仿真及實驗分析。通常情況下，光伏電池板的最大功率點對應的最優電壓約等于開路電路的0.75～0.8，而筆者所用的BUCK電路實際工作占空比約為0.8，剛好對應跟蹤光伏電池板的最大功率點所需要的占空比，也就是說明當采用光伏電池板作為輸入電源時，可以跟蹤上最大功率點，并且太陽能電池的P-V曲線是單峰曲線，導納增量法不會因為外界環境條件的變化而改變其單峰曲線的特性，因而系統穩定度高，控制效果好，可以應用于太陽能LED照明系統。