欠压保护的双电荷泵驱动电路、光伏速断装置及控制方法与流程

本发明属于光伏控制，尤其涉及一种欠压保护的双电荷泵驱动电路、光伏速断装置及控制方法。

背景技术：

1、社会的飞速发展离不开能源的支撑，随着对能源需求的增大，传统能源储备越来越少，光伏发电的成长态势也越来越受到关注，产业发展也越来越快。光伏发电是指通过将多个光伏板进行串联后输出高压直流电，随后接逆变器，通过逆变器再将直流电转换为交流电后进行并网处理的发电技术。

2、近年来，出于安全考虑，各国相关电器规范中逐步加入了对光伏发电的硬性规定，例如美国的安全规范nec2017/2020，其不仅要求光伏系统具有快速关断功能，且关断后的最高电压不得超过80v。而光伏发电系统为高压直流系统，其发生故障后，极易引发火灾，且带电情况下的救援工作十分危险，此时，因此，在光伏发电系统上安装可靠的速断装置，通过速断装置在无人为干预的情况下，自行切断光伏组件的连接，保障工作人员的人身安全，就显得十分必要了。

3、现有技术中，光伏速断装置控制组串回路通断的主流方案为nmos正极控制，其需要电荷泵进行正极电压泵升，以驱动nmos导通。其主要缺陷和不足如下：

4、(1)驱动电路电压损耗大、结构复杂、效率低、可靠性低。现有技术中的光伏速断装置的驱动电路一般利用外部集成ic如555定时器产生pwm信号进行自举升压，电路复杂、可靠性低、成本高、电压损耗大。而且，其通过单一电荷泵升压方案利用稳压管进行稳压，效率低，对输入电压的适用性较差，工作异常时，导致泵生电压不足以驱动nmos,nmos导通内阻增大发热增大，最终造成损坏，因此其可靠性低。

5、(2)驱动电路没有泵升电压监测功能，对回路电流和nmos温度也无监测功能，无法闭环监测和调整当前状态，如欠压状态下将导致泵升电压低，继而nmos内阻增大或回路电流较大，这都会导致nmos发热加剧，容易造成装置损坏，不能满足现有发展趋势下，对光伏组件安全稳定可靠运行的要求。

6、综上所述，需要对现有技术中的光伏速断装置的驱动电路进行改进，以确保光伏发电系统中的可能出现的各种恶劣情况下，光伏速断器均可以稳定可靠运行。

技术实现思路

1、本发明针对目前现有的光伏速断器驱动电路存在的上述不便和缺陷，所要解决的技术问题是：提供了一种用于光伏速断装置的双电荷泵驱动电路，以期利用双电荷泵结构，提高驱动的可靠性和稳定性，以实现光伏速断器在各种恶劣情况下的稳定可靠运行。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种欠压保护的双电荷泵驱动电路，包括boost电路、第一电荷泵电路和第二电荷泵电路；

3、所述第一电荷泵电路包括dc/dc芯片，电容c2、c3以及二极管d2、d3；dc/dc芯片的引脚vin连接输入电压vin，所述输入电压vin为光伏组件的输出电压；所述电容c3的一端与dc/dc芯片的引脚vin连接，另一端与二极管d3的阴极连接，二极管d3的阳极与经过电容c2与dc/dc芯片的引脚sw连接，二极管d2阴极与二极管d3的阳极连接，二极管d2的阳极与dc/dc芯片的输出端vout连接，所述二极管d3的阴极用于输出驱动电压驱动开关电路中的nmos管；

4、所述第二电荷泵电路包括电阻r1、r2、r3、r4，三极管v1、v2、v3，二极管d4、d5，电容c4、c5，所述电阻r1的一端与pwm信号输出端连接，另一端与三极管v1的基极连接，三极管的基极经过电阻r2接地，发射极接地，集电极通过电阻r3与boost电路的输出端连接，三极管v3的集电极与boost电路的输出端连接，基极与三极管v2的基极连接，发射极与电容c4的一端和三极管v2的发射极连接；三极管v2的集电极接地，基极通过电阻r4与三极管v1的集电极连接，电容c4的另一端与二极管d4阴极和二极管d5的阳极连接，二极管d4的阳极与输入电压vin连接，二极管d5的阳极经电容c5接地，其阳极用于输出驱动电压驱动开关电路中的nmos管；

5、所述boost电路包括nmos管v4，电感l2、二极管d6和电容c6，电感l2的一端与dcdc芯片的输出vout连接，另一端与二极管d6的阳极连接，二极管d6的阴极作为boost电路的输出端，mos管v4的栅极与pwm信号连接，源极接地，漏极与电感l2的另一端连接，电容c6一端接地，另一端与二极管d6的阴极连接。

6、所述第一电荷泵电路还包括电感l1、电容c1和二极管d1，所述电感l1的一端与dc/dc芯片的sw引脚连接，另一端作为dc/dc芯片的输出端vout，所述二极管d1的阴极与dc/dc芯片的引脚sw连接，阳极接地，所述电容c1的一端与dcdc芯片的输出端vout连接，另一端接地。

7、所述二极管d5的阳极和二极管d3的阴极与所述nmos管的g极连接，所述nmos管的d极连接光伏组件的输出，所述nmos管的s极作为开关电路的输出。

8、此外，本发明还提供了一种光伏速断装置，包括电源电路、单片机、开关电路和信息采集电路，所述电源电路包括所述的双电荷泵驱动电路；

9、所述信息采集电路用于采集光伏设备的输出信息和所述双电荷泵驱动电路输出的驱动电压信息；所述单片机用于根据光伏设备的输出信息，生成pwm信号并发送至所述双电荷泵驱动电路。

10、所述的一种光伏速关断装置，还包括：通信电路、所述通信电路用于连接上位机；

11、所述电源电路还包括ldo电源芯片，所述dc/dc芯片还用于向ldo电源芯片供电，所述ldo电源芯片用于向单片机、通信电路、信息采集电路供电。

12、所述通信电路为载波通信电路。

13、所述信息采集电路包括输出电压电流采集电路，温度采集电路和驱动电压采集电路；

14、所述输出电压电流采集电路用于采集光伏组件的输出电压和输出电流，所述温度采集电路用于采集所述nmos管的温度，所述驱动电压采集电路用于采集所述双电荷泵驱动电路输出的驱动电压。

15、所述单片机生成pwm信号的方法为：

16、s101、获取输入电压uin(t)、驱动电压uout(t)和给定目标电压uaim(t)；

17、s102、计算控制偏差；

18、s103、将控制偏差输入pid模块，将pid模块的输出作为pwm信号的占空比；

19、s104、对占空比进行限幅，得到pwm信号。

20、此外，本发明还提供了所述的一种光伏速断装置的控制方法，包括以下步骤：

21、s1、采集nmos管的温度；

22、s2、判断温度是否高于温度阈值，若是，则切断光伏组件，并向上位机发送预警信号；若否，则采集回路电流，并进入下一步；

23、s3、判断回路电流是否低于阈值，若是，则切断光伏组件，并向主机发送预警信号，若否，则采集所述双电荷泵驱动电路输出的驱动电压，并进入下一步；

24、s4、判断驱动电压是否高于驱动电压阈值，若高于驱动电压阈值，则切断光伏组件并向主机发送预警信号，若不超过，则返回步骤s1重复采集nmos管的温度。

25、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

26、1、本发明一方面利用了dc/dc芯片自身的工作特点，搭配若干二极管，电容器等元器件，输出驱动电压，此方案一方面基于电源芯片自身特点进行设计，结构简单且工作可靠，且由于驱动电压产生电路中的元器件少，因此电压损耗少，最终输出的驱动电压也更高，更有利于速断装置的稳定运行；另一方面，基于mcu直接产生pwm控制信号，节省掉了外部震荡电路的设计，如555定时器，元器件少，设计结构简单。此外，双电荷泵的设计使其驱动电压的输出可以互为补充，相互支撑，使驱动产生电路工作更加稳定，当其中一方工作异常，另外一方也能继续稳定工作，例如欠压状态下的工作状况，保障了电路工作的稳定性。

27、2、本发明实现了电荷泵输出电压可调可控。在光伏组件欠压运行下，双电荷泵结构的泵升驱动电压的大小也会受到影响，为了最大程度的降低欠压状态对电荷泵泵升驱动电压的影响，本发明将boost升压电路融合在电荷泵电路中，解决了电荷泵电路驱动泵升电压不可控的问题，通过结合pid算法，将电荷泵电路泵升电压作为输入，pwm占空比作为输出，由此形成闭环控制电路，实现可调泵升驱动电压，解决了泵升电压可调问题，进一步增强了电路工作的稳定性和可靠性。

28、3、本发明的速断装置中加入异常处理逻辑，实时监测nmos温度、泵升电压、回路电流，对于实际工作场景来说，异常状态的出现无可避免，因此，本发明的控制方法中，将nmos管的温升作为判断电路工作正常与否的依据，此外，对流经nmos管的回路电流和驱动电压也进行监测，提高了异常处理的灵敏度与可靠性。