一种用于光伏汇流箱供电的数字直流电源的制作方法

本实用新型涉及光伏汇流箱供电领域，尤其涉及一种用于光伏汇流箱供电的数字直流电源。

背景技术：

光伏发电得到大规模应用，其中使用集中式并网逆变器的光伏发电系统，需要配置光伏汇流箱进行光伏组件串电能汇集和监测。在光伏汇流箱内配备电流检测装置进行各个组串电流检测。电流检测装置供电通过专用直流电源从光伏组件串输出的高压直流电获得。这种专用直流电源通常采用单管反激拓扑结构实现。

这种采用单管反激拓扑结构实现的直流电源，主要缺点是直流电源内部产生的电压超出光伏组件串耐压值高达压几百伏，给光伏组件设备安全造成威胁。目前在规模光伏电站中，1000v光伏发电系统继续使用，1500v光伏发电系统已经成为主流，这个缺点问题更加突出。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种一种用于光伏汇流箱供电的数字直流电源，采用双管反激拓扑结构，开关管工作电压基本等同光伏组件串输出电压，对人身和设备更加安全，同时在1000v光伏发电系统和1500v光伏发电系统使用，因为开关管工作电压降低，进而降低电源的开关管器件成本。

本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：

本实用新型提供了一种用于光伏汇流箱供电的数字直流电源，包括双管反激拓扑主电路、开关管驱动电路、输出电压反馈电路、mcu电路和电流型pwm控制电路；

所述双管反激拓扑主电路与光伏组件串电性连接；

所述开关管驱动电路与所述双管反激拓扑主电路内开关管电性连接；

所述输出电压反馈电路与所述mcu电路、电流型pwm控制电路电性连接；

所述mcu电路与电源输入端电性连接，所述mcu电路与输出电压反馈电路、电流型pwm控制电路电性连接；

所述电流型pwm控制电路与所述开关管驱动电路、双管反激拓扑主电路、mcu电路电性连接。

进一步地，所述双管反激拓扑主电路包括导通工作状态、截止工作状态，且所述导通工作状态、截止工作状态周期性切换。

进一步地，所述双管反激拓扑主电路由开关场效应管tr1、开关场效应管tr2、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、高频变压器t1、电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2组成，开关场效应管tr1的漏极连接高压直流电正极vin，开关场效应管tr1的源极连接高频变压器t1的原边绕组异名端，高频变压器t1的原边绕组异名端同时连接二极管d1负极，二极管d1正极连接高压直流电负极gnd，二极管d2负极连接高压直流电正极vin，二极管d2正极连接高频变压器t1的原边绕组同名端，高频变压器t1的原边绕组同名端同时连接场效应管tr2的漏极，场效应管tr2的源极连接电阻r2的一端，r2的另一端连接高压直流电负极gnd，高频变压器t1的一个副边绕组同名端连接二极管d4正极，二极管d4负极连接电容c2的正极，电容c2的负极连接副边绕组异名端，从电容c2正极和负极分别对应连接电流检测装置所需要的低压电的正极vo+和负极vo-，高频变压器t1的另一个副边绕组同名端连接二极管d3正极，二极管d3负极连接电容c1的正极，电容c1的负极连接此副边绕组异名端，电阻r1一端连接电源自用电的正极vaux，另一端连接vin端。

进一步地，所述开关管驱动电路由开关三极管tr3、开关三极管tr4、隔离变压器t2、电容c3、电容c4、电容c5、二极管d5、二极管d6，稳压管dz1、稳压管dz2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6构成了闭合或断开开关场效应管tr1、开关场效应管tr2的驱动电路，开关三极管tr3的集电极连接电源自用电的正极vaux，发射极同时连接开关三极管tr4的发射极和电容c3的正极，开关三极管tr4的集电极连接电源自用电的负极gnd，电容c3的负极连接隔离变压器t2的原边绕组的同名端，隔离变压器t2的原边绕组的异名端连接电源自用电的负极gnd，隔离变压器t2的副边有两个绕组，副边绕组的同名端连接电容c4、电容c5正极，电容c4、电容c5负极连接稳压管dz1、稳压管dz2的正极，稳压管dz1、稳压管dz2的负极连接二极管d1、二极管d2负极，二极管d1、二极管d2正极连接副边绕组的异名端，电容c4、电容c5负极同时连接电阻r3、电阻r5一端，电阻r3、电阻r5的另一端连接开关场效应管tr1、开关场效应管tr2的栅极，开关场效应管tr1、开关场效应管tr2的源极连接隔离变压器t2的副边绕组的异名端，电阻r4、电阻r6的一端连接开关场效应管tr1、开关场效应管tr2的栅极，电阻r4、电阻r6的另一端连接开关场效应管tr1、开关场效应管tr2的源极，开关三极管tr3、开关三极管tr4的基极连接在一起。

进一步地，所述输出电压反馈电路由光耦u3、可调电压基准u4、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电容c6、电容c7组成，所述电容c7的一端与光耦u3内发光二极管的负极、可调电压基准u4的负极连接，所述电容c7的另一端串联电阻r14连接电压信号输出端，同时串联电阻r15与可调电压基准u4的参考端连接，所述电阻r13的一端串联电阻r12连接电压信号输出端，同时连接电容c7的一端，所述电阻r13的另一端串联电容c6连接所述电容c7的另一端，所述电容c7的另一端与所述可调电压基准u4的正极连接，所述电阻r11的一端与所述光耦u3内发光二极管的负极连接，所述电阻r11的另一端并联电阻r12连接电压信号输出端。

进一步地，所述光耦u3选用pc817芯片，所述可调电压基准u4选用tl431芯片。

进一步地，所述mcu电路由微型控制器芯片u1、电阻r7、电阻r8、电阻r9、稳压管dz3组成，所述电阻r7一端连接电源自用电正极vaux，另一端连接稳压管dz3负极同时连接微型控制器芯片u1的电源正极，微型控制器芯片u1的电源负极连接电源自用电负极gnd，稳压管dz3正极连接电源自用电负极gnd，电阻r8、r9的一端连接微型控制器芯片u1，r8的另一端连接电源输入端vin，r9的另一端连接电源输入端gnd，微型控制器芯片u1连接光耦u3。

进一步地，所述微型控制器芯片u1选用微型控制器芯片stm8s103。

进一步地，所述电流型pwm控制电路由电流型pwm控制芯片u2，电阻r10，电容c8构成，电流型pwm控制芯片u2连接电阻r10，电容c8，电阻r10的另一端连接所述双管反激拓扑主电路产生的导通电流信号，电容c8的另一端连接电源自用电负极gnd，电流型pwm控制芯片u2连接微型控制器芯片u1，电流型pwm控制芯片u2连接电源自用电负极gnd，电流型pwm控制芯片u2连接开关三极管tr3和tr4的基极，u2芯片输出的pwm信号控制三极管tr3和tr4开关，进而控制开关场效应管tr1和tr2开关。

本实用新型的有益效果如下：

双管反激拓扑结构降低了对开关管耐压能力要求，mcu实现对电源的数字控制，同时满足1000v光伏发电系统和1500v光伏发电系统情况下使用，欠压过压功能更适合光伏发电白天发电时使用的要求；

采用双管反激拓扑结构，开关管工作电压基本等同光伏组件串输出电压，对人身和设备更加安全，同时满足在1000v光伏发电系统和1500v光伏发电系统使用，因为开关管工作电压降低，进而降低电源的开关管器件成本。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例提供的数字开关直流电源系统原理图；

图2为根据本实用新型实施例提供的数字开关直流电源电路原理图。

具体实施方式

图1为数字开关直流电源系统原理图。电源由5部分功能电路组成，分别是：双管反激拓扑主电路1，开关管驱动电路2，输出电压反馈电路3，mcu电路4(微型控制器电路)，和电流型pwm控制电路5。

双管反激拓扑主电路1与光伏组件串电性连接，以导入高压直流电，作为电源输入端，主电路的输出端作为电源输出端，向汇流箱内的光伏电流检测装置供电。主电路包括导通工作状态、截止工作状态。周期切换工作状态，双管反激拓扑主电路1实现电能由输入端的光伏组件串的高压直流电转变为输出端的稳定低压直流电。

开关管驱动电路2与双管反激拓扑主电路1内开关管电性连接，输出开关信号驱动双管反激拓扑主电路1内开关管导通或截止，以转换主电路的状态，包括导通状态、截止状态，来实现电能由光伏组件串的高压直流电转变为稳定低压直流电。

输出电压反馈电路3取得输出电压信号，将输出电压信号进行放大、滤波、比较等方式调理为反馈信号；输出电压反馈电路分别与mcu电路4、电流型pwm控制电路5电性连接，反馈信号送入mcu电路4和电流型pwm控制电路5。

4.mcu电路对整个电源进行监控。mcu电路与电源输入端电性连接，取得输入电压信号；mcu电路与输出电压反馈电路3电性连接，取得反馈信号；mcu电路与电流型pwm控制电路5电性连接，输出频率信号，该频率信号作为电流型pwm控制电路的工作频率。mcu电路通过编制专门程序根据输入电压信号大小调节频率信号的周期控制电源工作频率，实现电源调频控制，使得本专利电源同时满足在1000v光伏发电系统和1500v光伏发电系统使用要求。mcu电路根据取得的输入电压信号判断电源输入端电压是否在工作范围内，超过工作范围，停止输出频率信号输出进而停止电源工作，实现电源输入过电压或输入欠电压保护，同时满足在光伏发电白天发电时使用的要求。

电流型pwm控制电路5与开关管驱动电路2电性连接，输出pwm信号控制开关管驱动电路2产生相应的开关信号；与双管反激拓扑主电路1电性连接，取得导通电流信号；与mcu电路4电性连接，得到工作频率信号。电流型pwm控制电路按照频率信号进行周期性工作。正常情况下，周期开始时输出pwm导通信号至开关管驱动电路2来导通双管反激拓扑主电路1内的开关管，流过开关管的电流逐步增高；电流型pwm控制电路5根据输出电压反馈电路3的反馈信号产生关断阈值；电流型pwm控制电路5将取得的双管反激拓扑主电路1的开关管导通电流信号与关断阈值比较，当导通电流信号超过关断阈值时立即输出pwm关断信号至开关管驱动电路2来截止双管反激拓扑主电路1内开关管，并保持pwm关断信号至下一个新工作周期的开始时刻。

本方案使用电流型pwm芯片调节pwm信号占空比，mcu控制pwm信号频率，实现同时满足1000v光伏发电系统和1500v光伏发电系统情况下使用的要求。

图2为数字开关直流电源电路原理图。图中，u1-u4为集成电路芯片；t1-t2为高频变压器；tr1-tr2为开关场效应管；tr3-tr4为开关三极管；d1-d6为二极管；dz1-dz3为稳压二极管；r1-r15为电阻；c1-c8为电容。图中，点划线方框图将电路图分为5部分功能电路，分别是：双管反激拓扑主电路1，开关管驱动电路2，输出电压反馈电路3，mcu电路4，即微型控制器电路，和电流型pwm控制电路5。

本实施例中，直流电源的主电路将由光伏组件串输出高压直流电取得的电能变换为电流检测装置所需要的低压稳定的电能，采用双管反激拓扑电路结构。双管反激拓扑主电路1由开关场效应管(tr1、tr2)、二极管(d1、d2、d3、d4)、高频变压器(t1)、电容(c1、c2)、电阻(r1、r2)组成，其中t2具有原边一个绕组、副边两个绕组。

主电路导通状态，开关场效应管tr1、tr2导通，续流二极管d1、续流二极管d2反向截止。外接的光伏组件串经由vin，gnd端、通过开关场效应管tr1、高频变压器t1的原边绕组、开关场效应管tr2、测量电阻r2构成回路，续流二极管d1、续流二极管d2反向截止。高频变压器t1储能；高频变压器副边两个绕组、续流二极管d3、续流二极管d4反向截止。

测量电阻r2的两端电压作为导通电流信号接至电流型pwm控制电路5。

主电路截止状态，开关场效应管tr1、tr2关断，续流二极管d1、续流二极管d2瞬时正向导通释放高频变压器t1的原边绕组漏感产生高压电流。高频变压器t1存储的电能，经由高频变压器t1的副边绕组构成的两个回路释放。其中一个副边绕组同续流二极管d3，输出电容c1，及与电容c1并联的电源内部电路构成一个电路回路。其中另一个副边绕组同续流二极管d4，输出电容c2，及经过vo+、vo-端与电容c2并联的外接负载构成一个电路回路，向外接负载供电。

开关场效应管关断瞬时，高频变压器t1的原边绕组漏感存储的电能，经过正向导通续流二极管d1、续流二极管d2，经由vin，gnd端同光伏组件串形成回路短时快速吸收。

场效应管tr1的漏极连接高压直流电正极vin，场效应管tr1的源极连接高频变压器t1的原边绕组异名端。高频变压器t1的原边绕组异名端同时连接二极管d1负极。二极管d1正极连接高压直流电负极gnd。二极管d2负极连接高压直流电正极vin，二极管d2正极连接高频变压器t1的原边绕组同名端。高频变压器t1的原边绕组同名端同时连接场效应管tr2的漏极，场效应管tr2的源极连接电阻r2的一端，r2的另一端连接高压直流电负极gnd。高频变压器t1的一个副边绕组同名端连接二极管d4正极，二极管d4负极连接电容c2的正极，电容c2的负极连接此副边绕组异名端，从电容c2正极和负极分别对应连接电流检测装置所需要的低压电的正极vo+和负极vo-。高频变压器t1的另一个副边绕组同名端连接二极管d3正极，二极管d3负极连接电容c1的正极，电容c1的负极连接此副边绕组异名端，从电容c1正极和负极分别为电源自身用电的正极vaux和负极gnd。电阻r1一端连接电源自用电的正极vaux，另一端连接vin端，电阻r1流过极小的电流，主要用来提供电源启动电能。

高频变压器t1在反激电源中发挥多绕组电感的储能作用。同时闭合开关场效应管tr1、开关场效应管tr2，电流从高压直流电正极vin依次流经，开关场效应管tr1、高频变压器t1的原边绕组、开关场效应管tr2，电阻r2，二极管d1和二极管d2反向偏置截止。二极管d3和二极管d4反向偏置截止，高频变压器t1的副边绕组没有电流。高频变压器t1的原边绕组的电流增大，电能转化为磁能存在高频变压器t1内。

同时断开开关场效应管tr1、开关场效应管tr2，存在高频变压器t1的磁能转化为电能，通过副边两绕组使得二极管d3和二极管d4正向偏置导通，转化来的电能分别存储在电容和同时供给负载使用。高频变压器t1内连续周期地进行电能转化为磁能和磁能转化为电能的过程，电源稳定向电流检测装置提供电能。高频变压器t1原边绕组漏感产生尖峰电压在二极管d1和二极管d2正向偏置的作用下钳位在输入高压直流电压等级，开关场效应管tr1、开关场效应管tr2承受电压不超过高压直流电压等级，优于单管反激拓扑电路结构。

开关管驱动电路2使用单端隔离变压器驱动方案。开关三极管tr3-tr4、隔离变压器t2、电容c3-c5、二极管d5-d6，稳压管dz1-dz2和电阻r3-6构成了闭合或断开开关场效应管tr1-tr2的驱动电路。开关三极管tr3-tr4的基极接收电流型pwm控制电路5产生的pwm信号，驱动电路的输出分别接到开关场效应管tr1、tr2的栅极和源极并控制通断。

开关三极管tr3-tr4的基极接收电流型pwm控制电路5产生的pwm信号，在隔离变压器t2的原边两端形成电压方波，电容c3隔直流通交流的作用。在隔离变压器t2的两个副边绕组输出电压方波，电容c4、c5储能并产生场效应管tr1、tr2关断负电压，二极管d5与稳压管dz1串联限制电容c4的端电压，二极管d6与稳压管dz2串联限制电容c5的端电压。

开关三极管tr3-tr4、隔离变压器t2、电容c3-c5、二极管d5-d6，稳压管dz1-dz2和电阻r3-6构成了闭合或断开开关场效应管tr1-tr2的驱动电路。

开关三极管tr3(npn管)的集电极连接电源自用电的正极vaux，它的发射极同时连接三极管tr4(pnp管)的发射极和电容c3的正极，三极管tr4的集电极连接电源自用电的负极gnd。电容c3的负极连接隔离变压器t2的原边绕组的同名端。隔离变压器t2的原边绕组的异名端连接电源自用电的负极gnd。隔离变压器t2的副边有两个绕组，副边绕组的同名端连接电容c4(c5)正极，电容c4(c5)负极连接稳压管dz1(dz2)的正极，稳压管dz1(dz2)的负极连接二极管d1(d2)负极，二极管d1(d2)正极连接副边绕组的异名端。电容c4(c5)负极同时连接电阻r3(r5)一端，电阻r3(r5)的另一端连接开关场效应管tr1(tr2)的栅极，开关场效应管tr1(tr2)的源极连接隔离变压器t2的副边绕组的异名端。电阻r4(r6)的一端连接开关场效应管tr1(tr2)的栅极，电阻r4(r6)的另一端连接开关场效应管tr1(tr2)的源极。开关三极管tr3和tr4为对管，它们的基极连接在一起。

交替闭合断开三极管tr3-tr4，产生电压方波，高电平和0电平依次交替。方波电压通过电容c3施加在隔离变压器t2的原边，隔离变压器t2的副边产生同相电压方波。电容c3起到隔离直流电，通过交流电，防止隔离变压器t2磁心不平衡饱和的作用。隔离变压器t2的副边同名端输出高电平，通过电容c4(c5)、电阻r3(r5)施加在开关场效应管tr1(tr2)的栅极上，驱动开关场效应管tr1(tr2)闭合并维持导通状态。隔离变压器t2的副边同名端输出0电平时，电容c4(c5)通过电阻r3(r5)、隔离变压器t2的副边绕组，施加负电压在开关场效应管tr1(tr2)的栅极上，加速开关场效应管tr1(tr2)断开并维持截止状态。电容c4(c5)端电压由稳压管dz1(dz2)和二极管d5(d6)限制在给定范围内。电阻r4(r6)起到保护效应管tr1(tr2)，提供电容c4(c5)充电电流回路的作用。

输出电压反馈电路3采用tl431与光耦构成隔离反馈放大电路的方案。由光耦u3、可调电压基准u4、电阻r11-r15、电容c6-c7组成。光耦u3选用pc817或类似功能芯片，可调电压基准u4选用tl431或类似兼容芯片。

光耦u3起到电气隔离和信号传输的作用，可调电压基准u4提供基准电压并起到信号放大器作用，配合电阻r11-r15、电容c6-c7组成，实现信号比较、放大、滤波等作用，将输出电压信号转换为反馈信号，通过u3的4脚输出至u1的20脚和u2的1脚。

mcu电路4，即微型控制器电路，选用意法半导体生产的微型控制器芯片stm8s103，或具有类似功能的微型控制器芯片为核心组成。只给出mcu电路中与实现电源功能的部分电路，其他部分省略。由微型控制器芯片u1、电阻r7-r9、稳压管dz3组成。微型控制器芯片u1选用微型控制器芯片stm8s103，可在2.95-5.5v宽电压范围内正常工作；u1含有定时/计数器，可产生pwm波信号作为频率信号；u1含有模拟数字转换器，采集输入电压信号。电阻r7一端接电源自用电正极vaux，另一端接稳压管dz3负极，稳压管dz3正极接电源自用电负极gnd，构成稳压电源；它们产生mcu工作电压，接u1的电源正极输入脚9脚。u1的电源负极输入脚7脚接电源自用电负极gnd，这样u1获得工作电源。u1的19脚、20脚设置为模拟信号输入脚。u1的19脚同电阻r8、r9的一端连接，r8的另一端连接电源输入端vin，r9的另一端连接电源输入端gnd，电阻r8-9构成分压器。u1的20脚连接输出电压反馈电路3中u3的4脚输出的反馈信号。u1的16脚设置为pwm信号输出脚，连接电流型pwm控制电路5中u2的4脚。u1的定时/计数器产生的pwm信号经过16脚输出至u2的4脚作为频率信号。

微型控制器芯片u1通过烧录在u1内的程序实现电源监控。微型控制器芯片u1将u1的19脚电压信号通过内部模拟数字转换器得到输入电压信号对应的数值，通过该数字判断电源输入电压在合理范围内，u1的定时/计数器产生的pwm信号经过16脚输出至u2的4脚作为频率信号，使得u2工作，进而电源工作；否则微型控制器芯片u1的定时/计数器停止输出频率信号给u2，使得u2停止工作，进而电源停止工作。微型控制器芯片u1通过将u1的20脚电压信号通过内部模拟数字转换器得到u3的4脚输出的反馈信号对应的数值。u1检测的输入电压信号幅值高或反馈信号幅值低，扩大频率信号的周期，降低u2的工作频率；u1检测的输入电压信号幅值低或反馈信号幅值高，缩小频率信号的周期，提高u2的工作频率；通过这样方式实现对电源频率控制，调节电源输出电压。

电流型pwm控制电路5，采用电流型pwm控制芯片uc3844或兼容芯片为核心构成。由电流型pwm控制芯片u2，电阻r10，电容c8构成。电流型pwm控制芯片u2的3脚为电流信号输入脚，连接电阻r10，电容c8，电阻r10的另一端连接双管反激拓扑主电路1产生的导通电流信号，电容c8的另一端连接电源自用电负极gnd，电容c8和电阻r10构成rc滤波电路将导通电流信号含有的尖脉冲滤除。u2的4脚连接u1的16脚，u1的16脚输出频率信号作为u2的工作频率。u2的2、5脚接电源自用电负极gnd。u2芯片的6脚连接开关三极管tr3和tr4的基极，u2芯片输出的pwm信号控制三极管tr3和tr4开关，进而控制开关场效应管tr1和tr2开关。u2的1脚接至u1的20脚和u3的4脚，u3的4脚输出反馈信号进入u2的1脚。pwm控制芯片u2将3脚处信号同1脚处信号进行比较，根据比较结果改变6脚输出pwm的占空比，进而调节直流电源输出电压稳定。

以上对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，当然，本实用新型还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本实用新型的保护范围内。