用于现代电源系统的若干关键控制芯片研究与设计

【摘要】： 随着世界能源紧缺的日趋严重和对能源消费需求的与日俱增,现代电源系统的发展不断进行着自我完善,其发展趋势包括从节能和环保提出“绿色能源”概念,开发太阳能、风能等新能源的利用技术,降低电源系统本身的功耗、提高供电效率、改善性能,以及由集中式向分布式供电系统发展等。因此,现代电源系统中的电源管理问题亦受到越来越普遍的关注。本文针对现代电源技术的发展,提出了一个用于光伏发电的电源管理系统架构。在此架构体系中,以光伏电池的最大功率点跟踪控制、并联电源系统中的负载均流控制、冗余容错电源系统的热插拔控制及蓄电池充电控制等典型的电源管理控制问题作为具体研究对象展开,在深入研究基础上,设计与研制了相应的控制芯片进行验证。 本文的主要创新成果在于: 1)在深入研究光伏电池最大功率点跟踪控制方法基础上,分别基于开路电压法和扰动观察法设计了两种全集成的光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)控制芯片。并结合电路仿真,建立了一个与实际光伏电池特性相接近的光伏电池等效电路模型,可用于Spectre环境下的电路设计与验证。测试表明所完成的芯片可实现对光伏电池阵列最大功率点的精确跟踪,对温度、光照等环境条件的急剧变化动态响应快,基本实现了预定的设计目标。 2)提出了一个光伏电源的管理系统架构,并利用自行研究设计的MPPT、均流控制等电源管理芯片搭建了一个能同时实现光伏电池最大功率点跟踪和负载均流控制的光伏电源系统模型——采用多个DC/DC转换器并联的光伏电源子系统。仿真验证表明该系统性能符合预期要求,且具有较短的静态建立时间和较快的动态响应速度。 3)为利用所提出的光伏电源与充电系统构成一较为完整的光伏电源系统,并提高和优化系统性能,研究设计了若干电源管理芯片。其中针对蓄电池充电控制的需要,给出一种基于四阶段充电方式的充电控制芯片,可适用于不同规格和类型的二次电池;针对并联电源系统中各功率模块之间的负载均流问题,给出一种采用主从式自动均流法的负载均流控制芯片;针对后级电源系统中功率模块热更换的需要,给出了一种集成的热插拔控制芯片。上述几种芯片均通过了流片验证,基本实现了预期功能。 整个论文工作为应用于现代电源系统中电源管理控制芯片的研究,从控制策略、系统构成、电路设计直至后端实现积累了有益的经验,为适应现代电源系统的发展,研究构成与之相应的电源管理芯片奠定了良好的基础,也从电源系统的控制技术角度为不断发展的现代化电源提供了技术支持。