基于Buck-Boost双向变换器的光伏路灯控制器设计

引言

光伏行业竞争日益加剧,利润率逐渐降低,各大厂家都在压缩成本。同为光伏产品的光伏路灯控制器,成本控制压力巨大。常见控制器多采用充电和放电回路相互独立或部分独立的拓扑结构,这种结构虽控制方便,但成本较高。结合实际工况,白天控制器为蓄电池充电,夜晚蓄电池放电,点亮路灯,这两个过程相互独立且永不同时发生,基于此,本文提出一种充电和放电共用同一回路的硬件拓扑,大大降低了产品成本:结合同步整流技术,进一步提高了产品效率。

1设计原理

1.1电路原理

本文所述控制器设计方案如图1所示,PV端子为太阳能输入接口,LED1为路灯,Battery为蓄电池。在单片机控制下,白天太阳能为蓄电池充电,03断开,路灯放电回路关闭,04/05打开,充电回路开启。在充电模式下,等效原理图如图2所示,双向变换器工作在BUCK状态。

夜晚蓄电池放电,点亮路灯。在单片机控制下,04关闭,断开充电回路,03/05打开,放电回路开启。蓄电池内的能量被转移到路灯上。

在放电模式下,等效原理图如图3所示,双向变换器工作在BoosT状态。

1.2主要器件选型

1.2.1单片机选型

考虑成本及单片机资源,选择意法半导体32位控制器sTM32F030K6T,最高主频48MHz,供电电压3.3V,8通道、12位AD转换器、4个定时器、32个引脚,PWM及AD采样完全满足要求。

1.2.2MOSFET选型

MOSFET的选择综合耐压、电流、导通电阻、成本等因素,主电路中5个MOSFET均选择国内厂家深圳锐骏公司生产的RU75N08s,75V/80A,通态电阻8mQ。

1.2.3电感参数计算

开关频率的选择直接影响电感值和体积大小,开关频率越高,功率变换器的功率密度更大,体积更小,成本较小,同时功率器件发热越大,电感温升越高。本设计中开关频率选择为100kHz。电感值由下式估算:

式中,K为纹波系数:Uin为输入电压:Uout为输出电压:T为开关周期:Iout为输出电流。

1.2.4MOSFET驱动回路设计

采用IR公司的驱动芯片IR2110s驱动同步整流MOSFETO1、O2,IR2110s驱动电流2.5A,推挽驱动,通过外部电容实现自举电源,原理如图4所示。

1.3软件设计

软件主程序主要完成上电初始化、系统自检及必要的安全保护。主要功能均在中断程序中运行,软件共分为四种模式:白天模式,实现充电功能:夜晚模式,完成放电功能:调试模式,实现控制器运行参数修改:低功耗模式,控制器暂停工作但保持通信功能。工作流程如图5所示。

2经济性分析

样机完成后,测试性能优良,经现场安装试用半年,效果良好,完全满足现有市场应用需求。且经成本统计,与其他产品相比较,节约成本达30%以上,在如今光伏市场利润单薄的行业趋势下,这项成本优势无疑雪中送炭。

3结语

综上,基于Buck-Boost双向变换器的光伏路灯控制器体积小巧,成本优势突出,经现场实际应用证明,效果显著,各项参数均满足应用需求,这些优势为此款产品的推广奠定了坚实的基础。