一種太陽能陣列電源模擬器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽能陣列電源模擬器及控制方法，模擬器其包括主機(jī)和兩個電源模塊，主機(jī)由輸入供電源、主控板、輔助供電板、模塊板、母板和顯示板構(gòu)成，在模擬器中基于LabWindows/CVI構(gòu)建測量顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)信息模塊、連接模塊、校準(zhǔn)模塊、命令設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)控制。
【專利說明】-種太陽能陣列電源模擬器及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能陣列電源模擬器領(lǐng)域，具體是一種太陽能陣列電源模擬器及控 制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能陣列電源模擬器是一種輸出電容非常低的直流電流源，可模擬太陽能電源 的輸出特征。它具有FIXED模式、SAS模式和TABLE模式三種工作模式，可通過GPIB、LAN 和USB接口以及前面板對I-V曲線編程，能夠模擬在各種條件（如溫度、角度和時間）下的 太陽能電源的I-V曲線，廣泛用于電子電路研發(fā)、電子設(shè)備維修維護(hù)、裝備測試系統(tǒng)；適用 于科研院所實(shí)驗(yàn)室、電子設(shè)備生產(chǎn)廠、電信工程施工維護(hù)及航空、航天、電力、廣播、通信、計 量等單位的相關(guān)部門。
[0003] LabWindows/CVI是National Instruments公司推出的交互式C語言開發(fā)環(huán)境，它 將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起 來，它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)了 C語言的 功能，LabWindows/CVI非常適用于軟件界面的開發(fā)。
[0004] 太陽能陣列電源陣列模擬器功能強(qiáng)大，運(yùn)用廣泛，但直接通過設(shè)備的前面板來編 輯所需要的輸出曲線參數(shù)，會出現(xiàn)操作步驟繁瑣、容易出錯、顯示不直觀等問題。因此，有必 要設(shè)計一款配套的軟件來高效地控制系統(tǒng)，使得操作更加直觀、簡潔、有效、可靠，達(dá)到優(yōu)化 電源模擬器使用效果的作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種太陽能陣列電源模擬器及控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存 在的問題。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0007] 整機(jī)主要包括主機(jī)和兩個電源模塊，所述主機(jī)由輸入供電源、主控板、輔助供電 板、模塊板、母板和顯示板構(gòu)成。輸入供電源完成交流輸入整流，輸入供電源采用有源功率 因數(shù)校正及諧振軟開關(guān)技術(shù)，提供高功率因數(shù)及電源效率，最終輸出48V穩(wěn)定電壓；主控 板由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，集成多種控制接口，控制各電源模塊的輸出；輔助供電板用于完成 DC/DC變換，產(chǎn)生模塊板及主控板等所需要的電壓；模塊板對信號進(jìn)行采樣處理，產(chǎn)生PWM 控制信號，最終輸出可控的穩(wěn)定直流電源；通過顯示板鍵盤發(fā)送命令給主控板，主控板接到 命令之后再發(fā)送指令至電源模塊以控制輸出，并將回讀數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示板顯示。
[0008] 基于LabWindows/CVI構(gòu)建測量顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)信息模塊、連接模 塊、校準(zhǔn)模塊、命令設(shè)置模塊，通過GPIB (IEEE-488)、LAN或USB連接計算機(jī)通信與太陽能陣 列電源模擬器，可方便、高效、可靠地控制設(shè)備輸出、顯示、參數(shù)設(shè)置等功能。
[0009] 本發(fā)明上位機(jī)軟件通過LabWindows/CVI開發(fā)，為太陽能陣列電源模擬器硬件平 臺提供全部必須的軟件，實(shí)現(xiàn)通過GPIB (IEEE-488)、LAN或USB與計算機(jī)通信。軟件配合 太陽能陣列電源模擬器硬件平臺使用，提供穩(wěn)定的直流輸出，并控制電源模擬器的輸出、顯 示、參數(shù)設(shè)置等功能。軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括測量顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、 系統(tǒng)信息模塊、連接模塊、校準(zhǔn)模塊、命令設(shè)置模塊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)圖（整機(jī)原理框圖）。
[0011] 圖2為本發(fā)明軟件結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖3為不帶PFC的開關(guān)模式電源的輸入特性。
[0013] 圖4為帶PFC的開關(guān)模式電源輸入特性。
[0014] 圖5為平均電流模式PFC控制電路圖。
[0015] 圖6為硬開關(guān)與軟開關(guān)示意圖。
[0016] 圖7為全橋移相軟開關(guān)電路拓?fù)洹?br> [0017] 圖8為全橋移相軟開關(guān)電路波形。
[0018] 圖9為FIXED模式操作界面。
[0019] 圖10為SAS模式I-V曲線。
[0020] 圖11為SAS模式操作界面。
[0021] 圖12為TABLE模式I-V曲線。
[0022] 圖13為TABLE模式操作界面。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 整機(jī)可以支持兩個通道獨(dú)立輸出控制，也可以支持兩個通道的串并聯(lián)輸出。為了 實(shí)現(xiàn)上述功能，模塊A和模塊B采用了兩個形式完全相同的初級功率輸入單元以及控制拓 撲相同的功率輸出單元。功率輸入電源采用APFC電路實(shí)現(xiàn)高功率因素和第一級電壓輸出； 功率輸出單元采用全橋電路拓?fù)浜途€性快速調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)IV曲線功率輸出，由于模塊A和 模塊B的功率相同，只是輸出電壓范圍和電流范圍不同，所以功率設(shè)計部分按電壓和電流 的區(qū)別對模塊的高頻變壓器、高頻電感、取樣電路進(jìn)行了不同的參數(shù)設(shè)計，從而既統(tǒng)一了模 塊的功率拓?fù)浜涂刂品绞?，又?shí)現(xiàn)了模塊的分功率設(shè)計。
[0024] 功率因數(shù)校正電路對電源的輸入電流波形進(jìn)行整形，以使從電源吸取的有功功率 最大化。在理想情況下，電器應(yīng)該表現(xiàn)為一個純電阻的負(fù)載，但因?yàn)檩斎腚娐返脑颍_關(guān) 模式電源對于電網(wǎng)電源表現(xiàn)為非線性阻抗。輸入電路通常由半波或全波整流器及其后面的 儲能電容器組成，該電容器能夠?qū)㈦妷壕S持在接近于輸入正弦波峰值電壓值處，直至下一 個峰值到來時對電容再進(jìn)行充電。電路只在輸入波形的各峰值處從輸入端吸收電流，而且 電流脈沖必須包含足夠的能量，以便在下一個峰值到來之前能維持負(fù)載電壓。
[0025] 圖3描述了不帶PFC的電源輸入特性。圖4顯示了功率因數(shù)校正完好的電源輸 入特性，它的電流波形和電壓波形的形狀和相位都極為相似，它的各輸入電流諧波幾乎都 為零，在這種情況下，對于進(jìn)行所需工作所要求的有功功率而言，從電網(wǎng)電源吸收的電流最 小，而且還減小了與配電發(fā)電以及相關(guān)過程中的基本設(shè)備有關(guān)的損耗和成本。由于沒有諧 波，也減小了與使用相同電源供電的其他用電設(shè)備之間的干擾。
[0026] 本方案采取平均電流模式控制的PFC電路。這種方案如圖5所示。平均電流模式 控制米用一個根據(jù)控制信號Icp來穩(wěn)定平均電流（輸入或輸出）的控制電路。對于一個 PFC控制器，Icp由低頻直流環(huán)路誤差放大器產(chǎn)生。電流放大器是電流信號的積分器和誤差 放大器。它控制波形調(diào)整，而Icp信號控制直流輸出電壓。電流Icp在Rcp上產(chǎn)生了一個 電壓。為保持電流放大器的線性狀態(tài)，其輸入必須相等。因此，在Rshunt上的電壓降必須 等于Rcp上的電壓，因?yàn)樵陔娏鞣糯笃魍喽说妮斎腚娮枭蠜]有直流電流。電流放大器的 輸出是一個基于分路上平均電流的"低頻"誤差信號和Icp信號。和電壓模式控制電路的 情形一樣，此信號被拿來同振蕩器的鋸齒波信號進(jìn)行比較，PWM比較器將根據(jù)這兩個輸入 信號生成一個占空比。采用PFC電路后，整機(jī)功率因數(shù)可從常規(guī)電源的0. 6達(dá)到0. 99。
[0027] 傳統(tǒng)的全橋變換器采用的是硬開關(guān)技術(shù)。硬開關(guān)過程是通過突變的開關(guān)過程中斷 功率流來完成能量的轉(zhuǎn)變過程，硬開關(guān)直流變換器的開關(guān)器件是在承受電壓或流過電流的 情況下接通或斷開電路，因此在開通或關(guān)斷過程中伴隨著較大的損耗，即所謂的開關(guān)損耗。 隨著開關(guān)頻率的上升，開關(guān)管的開關(guān)損耗會成正比地上升，使電路的效率大大降低，處理功 率的能力大幅度減小。同時，開關(guān)過程中還會激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來附 加損耗，產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾（EMI)噪聲。為了使變換器能在高頻下高效率的運(yùn)行，本設(shè) 計采用軟開關(guān)技術(shù)。所謂"軟開關(guān)"通常是指功率器件工作在零電壓開關(guān)ZVS模式（Zero Voltage Switching)或零電流開關(guān)模式ZCS (Zero Current Switching)。軟開關(guān)技術(shù)的實(shí) 質(zhì)就是通過電感L和電容C的諧振，使開關(guān)器件中的電流或兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律 變化，當(dāng)電流自然流過零時，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓下降到零時，使器件導(dǎo)通。功率器件在零電 壓或零電流條件下完成導(dǎo)通與關(guān)斷過程，將使功率器件的開關(guān)損耗理論上為零，顯著地減 少了開關(guān)損耗和開關(guān)過程中激起的振蕩，可以大幅度地提高開關(guān)頻率，為變壓器的小型化 和模塊化創(chuàng)造條件。圖6給出了硬開關(guān)和軟開關(guān)的電壓和電流波形示意圖，可以進(jìn)行比較。
[0028] 移相全橋ZVS PWM變換器是利用變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感和功率管的寄生電 容來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，電路的主要拓?fù)淙鐖D7所示，其中L k為諧振電感，它包括了 變壓器的漏感，Cl一C4分別是四個功率管的寄生電容或外接電容，Dl-D4分別是四個功率 管的寄生二極管。每個橋臂的兩個功率管成180〇互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個橋臂之間的導(dǎo)通角相差一 個相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。Ql和Q3分別超前于Q4和Q2 一個相位，所以稱Ql和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。
[0029] 圖8所示是移相ZVS PWM變換器的主要波形，在每個開關(guān)周期內(nèi)，共有12個開關(guān) 模態(tài)。要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，必須有足夠的能量用來抽走將要開通的開關(guān)管的外部 附加電容上的電荷；并給同一橋臂關(guān)斷的開關(guān)管的外部附加電容充電；同時考慮到變壓器 原邊繞組電容，還要有一部分能量用來抽走變壓器原邊繞組寄生電容C tk上的電荷；也就是 說，須滿足下式：

【權(quán)利要求】
1. 一種太陽能陣列電源模擬器，其特征在于：包括主機(jī)和兩個電源模塊，所述主機(jī)由 輸入供電源、主控板、輔助供電板、模塊板、母板和顯示板構(gòu)成；輸入供電源完成交流輸入整 流，輸入供電源采用有源功率因數(shù)校正及諧振軟開關(guān)技術(shù)，提供高功率因數(shù)及電源效率，最 終輸出48V穩(wěn)定電壓；主控板由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，集成多種控制接口，控制各電源模塊的輸 出；輔助供電板用于完成DC / DC變換，產(chǎn)生模塊板及主控板等所需要的電壓；模塊板對信 號進(jìn)行采樣處理，產(chǎn)生PWM控制信號，最終輸出可控的穩(wěn)定直流電源；顯示板通過鍵盤發(fā)送 命令給主控板，主控板接到命令之后再發(fā)送指令至電源模塊以控制輸出，并將回讀數(shù)據(jù)發(fā) 送到顯示板顯示。
2. -種用于權(quán)利要求1所述太陽能陣列電源模擬器的控制方法，其特征在于：基于 LabWindows/CVI構(gòu)建測量顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)信息模塊、連接模塊、校準(zhǔn)模塊、命 令設(shè)置模塊，通過GPIB( IEEE-488)、LAN或USB連接計算機(jī)通信與太陽能陣列電源模擬器， 可方便、高效、可靠地控制設(shè)備輸出、顯示、參數(shù)設(shè)置等功能。
【文檔編號】G06F9/455GK104333226SQ201410424846
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】敖翔, 王文廷, 汪成龍, 李斌, 吳仲 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所