用于现代电源系统的若干关键控制芯片研究与设计

论文摘要

随着世界能源紧缺的日趋严重和对能源消费需求的与日俱增,现代电源系统的发展不断进行着自我完善,其发展趋势包括从节能和环保提出“绿色能源”概念,开发太阳能、风能等新能源的利用技术,降低电源系统本身的功耗、提高供电效率、改善性能,以及由集中式向分布式供电系统发展等。因此,现代电源系统中的电源管理问题亦受到越来越普遍的关注。本文针对现代电源技术的发展,提出了一个用于光伏发电的电源管理系统架构。在此架构体系中,以光伏电池的最大功率点跟踪控制、并联电源系统中的负载均流控制、冗余容错电源系统的热插拔控制及蓄电池充电控制等典型的电源管理控制问题作为具体研究对象展开,在深入研究基础上,设计与研制了相应的控制芯片进行验证。本文的主要创新成果在于:1)在深入研究光伏电池最大功率点跟踪控制方法基础上,分别基于开路电压法和扰动观察法设计了两种全集成的光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)控制芯片。并结合电路仿真,建立了一个与实际光伏电池特性相接近的光伏电池等效电路模型,可用于Spectre环境下的电路设计与验证。测试表明所完成的芯片可实现对光伏电池阵列最大功率点的精确跟踪,对温度、光照等环境条件的急剧变化动态响应快,基本实现了预定的设计目标。2)提出了一个光伏电源的管理系统架构,并利用自行研究设计的MPPT、均流控制等电源管理芯片搭建了一个能同时实现光伏电池最大功率点跟踪和负载均流控制的光伏电源系统模型——采用多个DC/DC转换器并联的光伏电源子系统。仿真验证表明该系统性能符合预期要求,且具有较短的静态建立时间和较快的动态响应速度。3)为利用所提出的光伏电源与充电系统构成一较为完整的光伏电源系统,并提高和优化系统性能,研究设计了若干电源管理芯片。其中针对蓄电池充电控制的需要,给出一种基于四阶段充电方式的充电控制芯片,可适用于不同规格和类型的二次电池;针对并联电源系统中各功率模块之间的负载均流问题,给出一种采用主从式自动均流法的负载均流控制芯片;针对后级电源系统中功率模块热更换的需要,给出了一种集成的热插拔控制芯片。上述几种芯片均通过了流片验证,基本实现了预期功能。整个论文工作为应用于现代电源系统中电源管理控制芯片的研究,从控制策略、系统构成、电路设计直至后端实现积累了有益的经验,为适应现代电源系统的发展,研究构成与之相应的电源管理芯片奠定了良好的基础,也从电源系统的控制技术角度为不断发展的现代化电源提供了技术支持。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 图目录
• 表目录
• 1 绪论
• 1.1 现代电源系统的特点
• 1.2 电源管理技术的发展趋势
• 1.3 电源管理技术在现代电源系统中的应用
• 1.3.1 光伏电池最大功率点跟踪控制技术
• 1.3.2 负载均流控制技术与热插拔控制技术
• 1.3.3 蓄电池充电控制技术
• 1.4 本文的主要工作和各章节内容安排
• 2 光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）控制技术的研究
• 2.1 光伏电池的特性与建模
• 2.1.1 光伏电池的特性
• 2.1.2 光伏电池的等效仿真模型建立
• 2.2 最大功率点跟踪技术基本原理
• 2.3 常用的MPPT控制方法及其特点
• 2.3.1 开路电压法
• 2.3.2 扰动观察法
• 2.3.3 增量电导法
• 2.4 双模式MPPT控制法
• 2.5 本章小结
• 3 光伏电池MPPT控制芯片研究
• 3.1 基于开路电压法的MPPT模拟控制IC芯片设计
• 3.1.1 工作原理与系统控制策略设计
• 3.1.2 环路补偿设计
• 3.1.3 模块电路设计
• 3.1.4 系统应用及仿真结果
• 3.1.5 芯片测试结果
• 3.2 基于扰动观察法的MPPT模拟IC芯片设计
• 3.2.1 工作原理与系统控制策略设计
• 3.2.2 模块电路设计
• 3.2.3 系统应用及仿真结果
• 3.2.4 芯片测试结果
• 3.3 本章小结
• 4 提高现代电源系统可靠性的控制技术研究
• 4.1 负载均流控制技术
• 4.1.1 负载均流的基本原理
• 4.1.2 均流控制的一般方法
• 4.1.3 负载均流控制芯片的研究
• 4.2 热插拔控制技术
• 4.2.1 "热插拔"概念及热插拔控制芯片的特性
• 4.2.2 具有多重保护的热插拔控制芯片的研究
• 4.3 本章小结
• 5 阀控铅酸蓄电池充电控制技术研究
• 5.1 阀控铅酸蓄电池的充电方式
• 5.1.1 恒流充电
• 5.1.2 恒压充电
• 5.1.3 脉冲充电
• 5.1.4 混合型充电
• 5.2 两类常用的阀控铅酸蓄电池充电控制器
• 5.2.1 简易型充电控制器
• 5.2.2 PWM充电控制器
• 5.3 阀控铅酸蓄电池充电控制芯片研究
• 5.3.1 系统结构设计
• 5.3.2 充电控制策略设计
• 5.3.3 系统仿真与测试结果
• 5.4 本章小结
• 6 用于光伏发电的电源管理系统研究
• 6.1 电源管理系统的集成化趋势
• 6.2 光伏发电系统的一般构成
• 6.2.1 独立光伏发电系统
• 6.2.2 并网光伏发电系统
• 6.3 用于光伏发电的电源管理系统
• 6.4 多个DC/DC转换器并联光伏电源系统的设计
• 6.4.1 架构实现
• 6.4.2 系统仿真与结果分析
• 6.4.3 与单DC/DC转换器光伏系统的性能比较
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果