用于光伏组件的非隔离开关电源结合直流降压的电源电路的制作方法

本实用新型属于太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及一种用于光伏组件的非隔离开关电源结合直流降压的电源电路。

背景技术：

随着能源结构调整步伐的加快以及国家对绿色能源的大力支持，太阳能光伏产业得以飞速发展。在光伏发电站运行过程中，安装在光伏组件两端的监测模块对太阳能发电站的监控管理起着至关重要的作用。通常情况下，为降低电路的成本及复杂性，监测模块电源电路的输入端从光伏组件两端直接取电，由于光伏组件监测模块电路需采用±5V的电源，以及CPU芯片需采用+3.3V的电源，而光伏组件输出电压为20-60V，远远超出了电源电路的需求范围，因此需将光伏组件两端的直流电压进行降压，以输出相匹配的电能给光伏组件监测模块供电。通常对直流电压进行降压可选用隔离型开关电源，此种开关电源能够直接产生±5V电压，然而这种开关电源价格昂贵，且不实用，因此，亟需设计一种成本低、且能够实现直流电压降压的光伏组件监测模块的电源电路。

技术实现要素：

针对上述问题与缺陷，本实用新型提出一种用于光伏组件的非隔离开关电源与直流降压相结合的电路，包括依次串联的RLC并联谐振带通滤波电路、非隔离开关电源电路和15V→±5V电源电压变换电路；

所述RLC并联谐振带通滤波电路包括第一RLC并联谐振带通滤波电路、第二RLC并联谐振带通滤波电路、第三电阻R3和第四电阻R4；所述第一RLC并联谐振带通滤波电路由第一电阻R1、第一电感L1和第一电容C1并联构成，其中，第一RLC并联谐振带通滤波电路的输入端与光伏组件两端的电源电路的正输入端Vi+相连，第一RLC并联谐振带通滤波电路的输出端与第三电阻R3串联；所述第二RLC并联谐振带通滤波电路由第二电阻R2、第二电感L2和第二电容C2并联构成，其中，第二RLC并联谐振带通滤波电路的输入端与电源电路的负输入端Vi-相连，第二RLC并联谐振带通滤波电路的输出端与第四电阻R4串联；第三电阻R3和第四电阻R4分别与非隔离开关电源电路相连，用来将第一RLC并联谐振带通滤波电路和第二RLC并联谐振带通滤波电路与非隔离开关电源电路隔离开，以防止非隔离开关电源电路对第一、二RLC并联谐振带通滤波电路的谐振频率产生影响；

所述非隔离开关电源电路包括非隔离开关电源芯片电路和LC低通滤波电源电路；

所述15V→±5V电源电压变换电路包括直流降压电路和±5V电源输出滤波电路，其中，直流降压电路包括第五电阻R5、第二二极管D2、第三二极管D3、第五电容C5、第六电容C6、第一三端稳压电源芯片U2和第二三端稳压电源芯片U3；在所述直流降压电路中，第五电阻R5的一端与第二二极管D2的阴极相连，另一端与第一三端稳压电源芯片U2相连，第三二极管D3的阴极与第二二极管D2的阳极连接，第三二极管D3的阳极与第二三端稳压电源芯片U3连接，第五电容C5并联到第五电阻R5与第二二极管D2的两端，第六电容C6并联到第三二极管D3的两端；所述第一三端稳压电源芯片U2和所述第二三端稳压电源芯片U3分别与±5V电源输出滤波电路相连。

所述电源电路将非隔离开关电源电路与15V→±5V电源电压变换电路相结合，其中，非隔离开关电源电路可将光伏组件输出的20-60V的直流电压信号转换成15V的直流电压信号，15V→±5V电源电压变换电路可将15V的直流电压信号进一步分压、降压，得到±5V直流电源。

所述第一RLC并联谐振带通滤波电路与第二RLC并联谐振带通滤波电路的电路参数设置相同，即R1＝R2＝5.1KΩ，L1＝L2＝100uH，C1＝C2＝5.3nF，在这些电路参数下，将第一RLC并联谐振带通滤波电路和第二RLC并联谐振带通滤波电路的中心频率设置为f1＝f2＝218.616KHz，品质因数设置为Q1＝Q2＝37.13，通频带宽设置为BW1＝BW2＝5.888KHz，通频带范围均为215.672-221.56KHz，用于滤除并联在光伏组件两端耦合电路上218KHz的载波信号。

在所述15V→±5V电源电压变换电路中，第五电阻R5用于提高第一三端稳压电源芯片U2的输入电压，使第一三端稳压电源芯片U2与第二三端稳压电源芯片U3分压均衡，以保证±5V电源输出电压均衡。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型在满足功耗低、成本低及转换效率高的情况下，提出一种用于光伏组件的非隔离开关电源结合直流降压的电源电路，该电源电路可为光伏组件监测模块电路提供±5V直流电源以及为光伏组件监测模块上的CPU芯片提供+3.3V直流电源。该电源电路在光伏组件监测模块正常工作时所消耗功率不超过1.5W，瞬时功率不超过2W，且低于光伏组件峰值功率的1％。在实现直流电压降压、稳压的情况下，具有功耗低、成本低及转换效率高等优点。

附图说明

附图1为一种用于光伏组件的非隔离开关电源结合直流降压的电源电路示意图；

附图2为一种可选的RLC并联谐振带通滤波电路示意图；

附图3为一种可选的非隔离开关电源电路示意图；

附图4为一种可选的15V→±5V电源电压变换电路示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作详细说明。

本实用新型提出的一种用于光伏组件的非隔离开关电源结合直流降压的电源电路，所述电源电路将非隔离开关电源与直流降压方式相结合，先将光伏组件输出的20-60V的直流电压信号转换成15V的直流电压信号，再将15V的直流电压信号转换成±5V的直流电源，通过进行降压、稳压为光伏组件监测模块电路及其CPU芯片提供电源，可为光伏组件监测模块电路提供±5V直流电源以及为光伏组件监测模块的CPU芯片提供+3.3V直流电源。如图1所示的基于非隔离开关电源结合直流降压的电源电路示意图，该电路由三部分构成，分别为依次串联的RLC并联谐振带通滤波电路、非隔离开关电源电路和15V→±5V电源电压变换电路。所述RLC并联谐振带通滤波电路用于滤除并联在光伏组件两端耦合电路上218KHz的载波信号，以获得无载波信号干扰的光伏组件输出电压信号；所述非隔离开关电源电路用于将获得的光伏组件输出的电压信号转换为15V的直流电压信号，所述15V→±5V电源电压变换电路用于将得到的15V的直流电压信号降为±5V的直流电压信号。

实施例1

附图2为一种可选的RLC并联谐振带通滤波电路示意图，在一种可选的方案中，RLC并联谐振带通滤波电路包括：第一RLC并联谐振带通滤波电路、第二RLC并联谐振带通滤波电路、第三电阻R3和第四电阻R4。其中，第一RLC并联谐振带通滤波电路由第一电阻R1、第一电感L1和第一电容C1并联构成，第二RLC并联谐振带通滤波电路由第二电阻R2、第二电感L2和第二电容C2并联构成。所述第一RLC并联谐振带通滤波电路的输入端与光伏组件两端的电源电路的正输入端Vi+相连，第一RLC并联谐振带通滤波电路的输出端与第三电阻R3串联；所述第二RLC并联谐振带通滤波电路的输入端与光伏组件两端的电源电路的负输入端Vi-相连，第二RLC并联谐振带通滤波电源电路的输出端与第四电阻R4串联。所述第三电阻R3和第四电阻R4是将第一RLC并联谐振带通滤波电源电路和第二RLC并联谐振带通滤波电源电路与第三电容C3隔离开，防止第三电容C3对第一、二RLC并联谐振带通滤波电源电路的谐振频率产生影响，其中，R3＝R4＝27Ω。在本实施例中，RLC并联谐振带通滤波电路可滤除并联在光伏组件两端耦合电路上218KHz的载波信号，防止载波信号经电源电路分流而产生信号衰弱。其中，第一RLC并联谐振带通滤波电路和第二RLC并联谐振带通滤波电路的电路参数为R1＝R2＝5.1KΩ，L1＝L2＝100uH，C1＝C2＝5.3nF。在这些电路参数下，第一RLC并联谐振带通滤波电路和第二RLC并联谐振带通滤波电路的中心频率、品质因数和通频带宽如下所述：

中心频率：

品质因数：Q₁＝Q₂＝R₁/2πf₁L₁＝R₂/2πf₂L₂＝37.13

通频带宽：BW₁＝BW₂＝f₁/Q₁＝f₂/Q₂＝5.888KHz

由此可知，第一RLC并联谐振带通滤波电路和第二RLC并联谐振带通滤波电路的通频带范围为215.672-221.56KHz。

实施例2

附图3为一种可选的非隔离开关电源电路示意图，在一种可选的方案中，所述非隔离开关电源电路包括：非隔离开关电源芯片电路和LC低通滤波电路。所述非隔离开关电源芯片电路包括第三电容C3、非隔离开关电源芯片、第一二极管D1。

所述第三电容C3的第一端与第三电阻R3的第二端和非隔离开关电源芯片的输入端1相连，第三电容C3的第二端与第四电阻R4的第二端和非隔离开关电源芯片的接地端3相连。其中，第三电容C3可保证非隔离开关电源芯片的稳定运行，所述非隔离开关电源芯片的型号为LM2575HVT-15，可将RLC并联谐振带通滤波电路滤波后获得的20-60V的光伏组件输出的电压信号转换为15V的PWM开关信号。

所述非隔离开关电源芯片包括：输入端1、输出端2、接地端3、反馈输入端4和使能端5，其中，非隔离开关电源芯片LM2575HVT-15的输入端1与第三电阻R3的第二端和第三电容C3的第一端相连；非隔离开关电源芯片LM2575HVT-15的接地端3与第四电阻R4的第二端和第三电容C3的第二端相连；非隔离开关电源芯片LM2575HVT-15的反馈输入端4与第三电感L3的第二端和第四电容C4的第一端；非隔离开关电源芯片LM2575HVT-15的输出端2与第三电感L3的第一端和第一二极管D1的第一端相连；非隔离开关电源芯片LM2575HVT-15的使能端5与第四电容C4的第二端和第一二极管D1的第二端相连。非隔离开关电源芯片将第一模块RLC并联谐振带通滤波电路滤波后获得的光伏组件输出电压信号从非隔离开关电源芯片的输入端1和接地端3输入，由非隔离开关电源芯片的输出端2和使能端5输出，经非隔离开关电源芯片使能端5调整PWM开关信号的占空比，得频率为52KHz的PWM开关信号，输出的15V的PWM开关信号，经LC低通滤波电路滤波得到直流电压信号，得到的直流电压信号接入非隔离开关电源芯片的反馈输入端4，通过与非隔离开关电源芯片内部1.23V标准电压VREF比较，将非隔离开关电源芯片输出的直流电压信号稳定在15V。

所述第一二极管D1是续流二极管，其作用是在非隔离开关电源芯片的内部开关断开时进行导通续流，而在内部开关导通饱和时截止。其中，第一二极管D1的第一端与非隔离开关电源芯片的输出端2和第三电感L3的第一端相连，第一二极管D1的第二端与非隔离开关电源芯片的使能端5和第四电容C4的第二端相连。

所述LC低通滤波电路包括：第三电感L3和第四电容C4，其中，第三电感L3的第一端与非隔离开关电源芯片电路中第一二极管D1的第一端和非隔离开关电源芯片的输出端2相连；第三电感L3的第二端与非隔离开关电源芯片的反馈输入端4和第四电容C4第一端相连；第四电容C4的第一端与非隔离开关电源芯片的反馈输入端4和第三电感L3第二端相连；第四电容C4的第二端与非隔离开关电源芯片的使能端5和第三二极管D3的第二端相连，其中，L3＝330uH，C4＝470uF。由第三电感L3和第四电容C4组成的低通滤波电源电路的上限截止频率为可对非隔离开关电源芯片电路输出的PWM开关信号进行滤波，进一步得到纹波较小直流信号。

实施例3

附图4为一种可选的15V→±5V电源电压变换电路示意图，在一种可选的方案中，所述15V→±5V电源电压变换电路包括：直流降压电路和±5V电源输出滤波电路。所述直流降压电路包括：第五电阻R5、第二二极管D2、第三二极管D3、第五电容C5、第六电容C6、第一三端稳压电源芯片U2和第二三端稳压电源芯片U3。其中，第一三端稳压电源芯片U2的型号为LM7805，其输出电压为+5V，第二三端稳压电源芯片U3的型号为LM7905，其输出电压为-5V。

在所述直流降压电路中，第五电阻R5的第一端、第五电容C5的第一端与第一三端稳压电源芯片的1端相连；第二二极管D2的第二端、第五电容C5的第二端、第一三端稳压电源芯片的2端、第三二极管D3的第一端、第六电容C6的第一端、第二三端稳压电源芯片的2端均与地相连；第三二极管D3的第二端、第六电容C6的第二端与第二三端稳压电源芯片的1端相连；第一三端稳压电源芯片的3端与直流电源的+5V输出端相连；第二三端稳压电源芯片的3端与直流电源的-5V输出端相连。

所述第二二极管D2和第三二极管D3均为7.5V的稳压二极管，与第五电容C5、第六电容C6共同作用保证第一三端稳压电源芯片和第二三端稳压电源芯片两端电压均为7.5V，其中，第五电容C5、第六电容C6可进一步消除非隔离开关电源芯片所产生的纹波。

所述第一三端稳压电源芯片和第二三端稳压电源芯片分别对分压后所获得7.5V的直流电压进行降压，最终得到±5V的直流电压信号。

所述第五电阻R5的作用在于提高第一三端稳压电源芯片的输入电压，避免因负载电阻接入致使第一、二三端稳压电源芯片分压不均衡问题，以此保证±5V直流电源输出电压均衡。其中，第五电阻R5第一端与第一三端稳压电源芯片的1端相连，第五电阻R5第二端与第二二极管D2的第一端相连。

该电路可为光伏组件监测模块电路提供±5V的直流电源以及为光伏组件监测模块中CPU芯片提供+3.3V的直流电源。当本实施例中电源电路为光伏组件监测模块电路提供±5V的直流电源时,+5V电源输出端与接地端之间的负载电阻和-5V电源输出端与接地端之间的负载电阻相同,此时,第一三端稳压电源芯片和第二三端稳压电源芯片均分得7.5V的电压；而当电源电路为光伏组件监测模块中的CPU芯片提供+3.3V直流电源时，CPU芯片需并联在+5V输出端及接地端之间，使+5V电源的负载电阻小于-5V电源的负载电阻，反应到第一三端稳压电源芯片的输入端而使其分压获得的输入电压小于第二三端稳压电源芯片分压获得的输入电压，从而使第二三端稳压电源芯片的输入电压大于第一三端稳压电源芯片的输入电压。因为第一三端稳压电源芯片的线性调整范围为大于7.2V，故当第一三端稳压电源芯片的负载电阻小使其输入电压小于7.2V时，第一三端稳压电源芯片不能在线性区间内对输入电压实现降压,致使其输出电压小于+5V，此时第一三端稳压电源芯片输出电压与第二三端稳压电源芯片的输出电压不均衡。

所述±5V电源输出滤波电路包括：第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10。其中，第七电容C7的第一端、第九电容C9的第一端均与第一三端稳压电源芯片U2的3端、直流电源电路的+5V输出端相连；第七电容C7的第二端、第九电容C9的第二端、第八电容C8的第一端、第十电容C10的第一端均与地相连；第八电容C8的第二端、第十电容C10的第二端均与第二三端稳压电源芯片U3的3端、直流电源电路的-5V输出端相连。该电路可进一步滤除±5V直流电源的纹波，使其低于10mV。

由于光伏组件监测模块所需+5V直流电源电路输出电流小于0.1A，-5V直流电源电路输出电流小于0.05A。当+5V直流电源电路输出电流为0.1A时，此时+5V直流电源电路的功率消耗为0.5W，第一三端稳压电源芯片的热耗散功率为0.25W；当-5V直流电源电路输出电流为0.05A时，此时-5V直流电源电路的功率消耗为0.25W，第二三端稳压电源芯片的热耗散功率为0.125W，因此在光伏组件监测模块正常工作时，本实施例中的电源电路消耗功率最大为0.75W，第一三端稳压电源芯片和第二三端稳压电源芯片的热耗散功率共计不超过0.375W，总功率消耗共计1.125W。进而使得本实用新型提出的电源电路及光伏组件监测模块在正常工作时所消耗功率不超过1.5W，瞬间功率(100ms内的功率)不超过2W，且未超过光伏组件峰值功率的1％。

此实施例仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。在不脱离本实用新型主旨和范围的前提下，本实用新型还会有进一步的改进，所作改进仍在要求保护的本实用新型范围内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。