I
TI
TITI
TI 杯
杯杯
杯（
（（
（四川赛区
四川赛区四川赛区
四川赛区，
，，
，陕西赛区
陕西赛区陕西赛区
陕西赛区，
，，
，湖北赛区
湖北赛区湖北赛区
湖北赛区，
，，
，江苏赛区
江苏赛区江苏赛区
江苏赛区）
））
）
2009
20092009
2009 年全国大学生电子设计竞赛优秀作品选集
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德州仪器半导体技术
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德州仪器半导体技术（
（（
（上海
上海上海
上海）
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）有限公司大学计划部
有限公司大学计划部有限公司大学计划部
有限公司大学计划部
2009
20092009
2009-
--
-12
1212
12-
--
-8
88
8
II
光伏并网发电模拟装置
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全国一等奖
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西安电子科技大学
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刘东林
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何昊
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郭世忠
郭世忠郭世忠
郭世忠
摘要
摘要摘要
摘要
本设计利用锁相环倍频、比较器过零触发和单片机 DA 产生与输入信号同频同相且幅值
可控的正弦波 ，作为 DC-AC 电路的输入参考信号，其中 DC-AC 电路采用 D 类功放中自激反
馈模型，利用负反馈的自激振荡产生 SPWM 波，实现了输出波形的内环控制。单片机实时采
集入口电压电流并计算，实现最大功率点的跟踪，完成了题目的要求。在 30 欧额定负载下，
实测效率高达 89%，失真度极低。频率相位均能实现小于 1 秒的快速跟踪，跟踪后相差小于
0.9 度，且具有欠压、过流保护及自恢复功能。
关键词：锁相环；DC-AC；MPPT
一、
方案论证与比较
DC
DCDC
DC-
--
-AC
ACAC
AC 逆变方案比较
逆变方案比较逆变方案比较
逆变方案比较：
：：
：
方案一：用 DSP 或 FPGA 产生 SPWM 信号驱动半桥或全桥式 DC-AC 变换器，经输出
LC 滤波后得到逆变信号。此方案的缺点在于 SPWM 控制为开环，在功率电源和负载变化
时难以保证波形的失真度满足题目要求。
方案二：采用 D 类功放中自振荡式模型的逆变拓扑，利用负反馈的高频自激产生所
需的 PWM 开关信号。此方案为闭环系统，在功率电源和负载变化时波形基本无失真，且
硬件电路简单。因此本设计采用了方案二。
锁相锁频方案比较
锁相锁频方案比较锁相锁频方案比较
锁相锁频方案比较：
：：
：
方案一：用高速 A/D 实时采集正弦参考信号 Uref 和输出电压的反馈信号，两者进
行比较，利用滞环比较控制算法控制主电路产生 PWM 驱动信号，从而实现波形跟踪。此
方案对单片机和 A/D 的速度要求均比较高，系统软件开销很大。
方案二：利用锁相环的锁相锁频功能，将参考信号倍频，产生与其同步的时钟，以
此时钟调整输入与输出的频相关系。此方案完全由硬件电路实现，简单方便，因此本设
计采用方案二。
最大功率点跟踪方案比较
最大功率点跟踪方案比较最大功率点跟踪方案比较
最大功率点跟踪方案比较：
：：
：
方案一：采用经典 MPPT 算法，对光伏阵列的输出电压电流连续采样，寻找
/
dP dU
为零的点，即为最大功率点。
方案二：使用模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)等现代 MPPT 跟踪方法。这类算
法的优点是对于非线性的光伏发电系统能够取得良好的控制效果，但控制方法复杂，系
统开销很大，
故未
采用此方案。
图
图图
图 1
1 1
1 原理框图
原理框图原理框图
原理框图
III
在实
际
制作中，
我们选
用 CD
4
0
46
锁相环
芯
片，功率 M
O
S
管 IR
F
54
0 等性
价
比较高的
器件，采用基于 MSP
4
30F1
6
9 单片机的经典控制算法，较为出
色地
完成了
各项指标
要求。
理论分析与参数计算
理论分析与参数计算理论分析与参数计算
理论分析与参数计算
1.频率跟踪电路设计：
图
图图
图 2
2 2
2 锁相环电路框图
锁相环电路框图锁相环电路框图
锁相环电路框图
利用锁相环 CD
4
0
46
可以实现输入信号的倍频和同步，输入频率
45
-
55H
z，经
256
倍频后为 11.
52KH
z-1
4
.08
KH
z 信号，
送给
单片机作为系统同步的时钟。单片机用 DDS
原理
产生幅度可调的正弦信号，此时钟作为 D/A 输出的时钟，即可
追
踪输入信号的相位
和频率。此正弦信号
送给
本设计中自闭环的 DC-AC 逆变器作为输入， 输出电压
就
可以
与参考输入 Uref 同频同相。为保证快速锁定，需要调整
R
1、
R2
、C1 的值使锁相环中
心
频率
稳
定在
5
0
H
z。
2
.MPPT 最大功率点跟踪的实现：
本设计采用 MSP
4
30F1
6
9 单片机，
它
有两路 D/A、8 路 A/D，可以
轻松地
实现连续的
电压电流采集。单片机由此
数据
计算出实时功率后
根据
MPPT 算法自动调整，
当
/ 0
dP dU
>
时
通
过
增加
系统的输入
阻抗增加
实
际
得到的输入电压 U 以
提
高功率，反
之
则降
低 U，最
终
达到
/ 0
dP dU
=
的最大功率点跟踪。
3.
提
高效率方法：
开关电源电路设计中的主要
损耗包括
：
场
效
应管
的
导通
电
阻损耗
和开关
损耗
；滤波
电路中电
感
和电
容
的
损耗
。
综合
考
虑
成本和性能，本电路
选
用了
IR
F
54
0，其
导通
电
阻
仅
为
77 毫
欧，输入
结
电
容
为 1
7
00
p
F。在
带
载额定电流 1A 时，全桥的
静态
功
耗
2
4* 0.308
on on
P I R W
= × =
。由于滤波电
感
和电
容工
作在高频下，
起储
能
释
能作用，
因此电
感
要
尽量减
小内
阻
，并保
留
1
mm 磁隙防止饱
和，电
容则
要
选
取等效
串联
电
阻 E
S
R
较小的高频低
阻
类型，以
减
小在电
容上
产生的功率
损耗
。本作
品
中所用的电
感
线
圈
为
多
股漆包
线并
绕
以
减
小高频下
导
线集
肤
效
应带来
的
损耗
，并使用
铁氧体材料
的
磁芯
以
减
小
其
磁
滞
损耗
。电
容则选
用
聚丙烯
电
容
，
它
具有较好的高频
特
性、
稳
定性和较小的
损耗
。
4
.滤波参
数
设计：
滤波电
感
使用
直径
3
6mm 磁罐
，
加
1
mm 磁隙
，用 0.
4mm 漆包
线
5 股
并
绕 2
0
匝
，实测
电
感
为
2
00u
H 左右
；为
减
小
通带衰减
，取
截止
频率为
5kH
z
,百百
倍于基频，得 C
=4
.
7
uF。
为进一步
减
小正弦波
谐
波
分量
，
又
用
6
0u
H 铁粉
环电
感
与 0.
6
8uF 电
容
进行了二
次
滤波，
最
终
效果比较
理想
。
二、
电路与程序设计
IV
1.DC-AC 电路
图
图图
图 5
5 5
5 自振荡逆变器框图
自振荡逆变器框图自振荡逆变器框图
自振荡逆变器框图
DC-AC 逆变器由自振荡
原理
的 D 类功率放大器
构
成，利用负反馈的高频自激，产生
幅度较
弱
的高频振荡
叠加
在
工
频信号
上
，经过比较器产生高频 SPWM 开关信号
通
过
浮栅
驱动器驱动 M
O
S
管
半桥。
图
图图
图 6 DC
6 DC6 DC
6 DC-
--
-AC
ACAC
AC 逆变器电路图
逆变器电路图逆变器电路图
逆变器电路图
由于负反馈在
工
频
上
是
稳
定的，因此输出的信号的放大倍
数
由
R2
与
R4
的
分
压比
决
定，而自振荡
（
产生的 SPWM
）
频率可
通
过
微
调
补偿网络
中的电
阻
、电
容
值
来
调整
,
实
际
中
综合
考
虑损耗
和滤波电路的设计
,选
定频率
约
为
2
8
KH
z
左右
，保证输出电压在功率电
源
HV
DC
范围
内，比
例
放大系
数选
为 1
2
。
这
种
逆变器自
身
闭环，整
个
电路
只
使用一
个
比较器，可以
根据
负载的变化自动调整 SPWM
的
占空
比，使输入输出电压
始终
成比
例
关系。
在 本 设 计 中 ， 使 用 两
个 上 述
的 自 振 荡 逆 变 器
构
成
平 衡
桥 式
(
Ba
l
a
nce
d
Tr
a
n
s
for
m
er Le
ss
)DC-AC 变换器，以 LM393 作逆变的比较器，
配合
自
带
死区
的
IR2
109
4 浮栅
驱动器驱动
IR
F
54
0 功率
N
M
O
S
管
，
获
得了较高的效率和极低的失真
度。
V
2
.过流保护及自恢复电路
图
图图
图 7
7 7
7 过流保护电路
过流保护电路过流保护电路
过流保护电路
电流
I
在采样电
阻上
产生的电压经过 LM3
5
8 放大 10 倍后与参考电压比较，
超
过
则
输出低电
平
，C
7
经过二极
管迅
速放电，使
#
SD 信号
被拉
低，
浮栅
驱动器输出
被
关闭，
向
单片机
报警
。同时
I
变小，
运
放 1
脚（如图 7）
输出高电
平
，
+5V
经过
R
1
7
对 C
7 充
电，
经过一
段
时
间
达到
浮栅
驱动器的高电
平门限
时，
再次打
开
场
效
应管
。这样可以保证过流
时
迅
速关
断
输出，关闭一
段
时
间
后自行
试探
，在
故障消除
后可自动恢复。
3.欠压
报警指示
，实时
显示当前
入口
处
d
U
电压：
欠压时 MPPT 算法将自动使输出为零，功率最小。单片机实时采集
d
U
电压后在
液晶上显
示
，小于
25V
时
报警
。
4
.控制电路与控制
程序
在功率电源入口
处
用
47
0
K:2
0
K 金属膜
电
阻分
压到
合适
电压后进行电压采样，电流
则
由
4
0
毫
欧电
阻
高
端
采样后经
隔离
差动放大器
H
CPL
7
800 放大后
再
由
仪表
放大器AD
62
0
转
换成
单
端
电压，
送给
A/D 采样，其中
H
CPL
7
800 和 AD
62
0
带
有
4
8 倍的
增益
，将电压放大到
2V 左
右
，保证采样电流有足够的
精
度。
功率最大时 有
/ ( ) / / 0
dP dU d UI dU IdU dU
= + =
，可得
UdI IdU
= −
，
令
( ( 1) ( ))
I UdI U I k I k
∆ = = + −
,
( ( ) ( 1))
U IdU I U k U k
∆ = − = − +
，
则当
I U
∆ = ∆
时
认
为达到最大功率点。
