CN106774609B - 一种空间用最大工作点追踪控制电路 - Google Patents

一种空间用最大工作点追踪控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间用最大工作点追踪控制电路；其特征在于：至少包括：输入电压采样及保持功能单元电路、输入电流采样及保持功能单元电路、第一自启动及复位功能单元电路、第二自启动及复位功能单元电路、最大工作点追踪功能单元电路、输出信号生成功能单元电路；所述输入电压采样及保持功能单元电路包括第一采样开关和第一比较器；所述第一自启动及复位功能单元电路包括第三反向器、第七比较器、第五与门、第九或门；第二自启动及复位功能单元电路包括第四反向器、第八比较器、第六与门、第十或门；所述最大工作点追踪功能单元电路包括第十一或非门和第十二或非门；所述输出信号生成功能单元电路包括放大器。

Description

一种空间用最大工作点追踪控制电路
技术领域
本发明涉及空间电源技术领域，特别是涉及一种空间用最大工作点追踪控制电路。
背景技术
最大功率点跟踪(MPPT)技术能够最大限度利用发电系统的输出功率，提高能源系统的利用效能，优化系统设计。目前空间电源系统应用最广泛的发电装置为太阳电池阵装置，由于深空探测器轨道变化导致其对于光强和温度变化较大，因此在该场合下对太阳电池阵采用最大功率点跟踪技术具有很强的技术应用优势(该技术也适应于RTG场合应用的温差发电系统)。目前国外深空探测(罗塞塔、信使等)已广泛应用了具有最大功率点跟踪的电源系统拓扑结构。
传统最大功率点跟踪技术的实现方式包括软件算法和硬件电路两种。软件算法实现的方法很多，常用的有扰动观测法、电压回授法、功率回授法、三点相位法、间歇扫描跟踪法和最优梯度法，而随着大规模集成芯片的应用，还出现了许多基于人工智能的算法很多，如模糊逻辑、神经网络等。但是由于航天器的特殊应用条件及高可靠性要求，而相应与软件配套的可编程高集成电路硬件系统应用很少，导致其应用难度大，成本高，应用场合受限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种空间用最大工作点追踪控制电路，该空间用最大工作点追踪控制电路采用数字及模拟器件(即全硬件)，实现高可靠的最大工作点追踪电路，解决电路输出特性与电路复杂度两者之间的矛盾问题，使其在满足带宽、输出精度及电平的前提下，使电路更为简捷，可靠，以满足空间产品的需求。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种空间用最大工作点追踪控制电路，至少包括：
输入电压采样及保持功能单元电路；所述输入电压采样及保持功能单元电路包括第一采样开关(S1)和第一比较器(A1)，电压采样点依次通过第一电阻(R1)、第一采样开关(S1)与第一比较器(A1)的第一比较端子电连接；所述电压采样点与第一比较器(A1)的第二比较端子短接；所述电压采样点依次通过第一电阻(R1)、第二电阻(R2)接地；所述第一比较器(A1)的第一比较端子通过第一电容(CS1)接地；
输入电流采样及保持功能单元电路；所述输入电流采样及保持功能单元电路包括第二采样开关(S2)和第二比较器(A2)，电流采样点依次通过第四电阻(R4)、第二采样开关(S2)与第二比较器(A2)的第一比较端子电连接；所述电流采样点与第二比较器(A2)的第二比较端子短接；所述电流采样点依次通过第四电阻(R4)、第三电阻(R3)接地；所述第二比较器(A2)的第一比较端子通过第二电容(CS2)接地；
第一自启动及复位功能单元电路；所述第一自启动及复位功能单元电路包括第三反向器(A3)、第七比较器(A7)、第五与门(A5)、第九或门(A9)；所述第一比较器(A1)的输出端子与第五与门(A5)的一个输入端子电连接；所述第三反向器(A3)的输出端子与第五与门(A5)的另一个输入端子电连接；所述第五与门(A5)的输出端子与第九或门(A9)的一个输入端子电连接；所述第七比较器(A7)的输出端子与第九或门(A9)的另一个输入端子电连接；所述第七比较器(A7)的第一输入端子通过第一二极管(D1)接地；
第二自启动及复位功能单元电路；所述第二自启动及复位功能单元电路包括第四反向器(A4)、第八比较器(A8)、第六与门(A6)、第十或门(A10)；所述第二比较器(A2)的输出端子与第六与门(A6)的一个输入端子电连接；所述第四反向器(A4)的输出端子与第六与门(A6)的另一个输入端子电连接；所述第六与门(A6)的输出端子与第十或门(A10)的一个输入端子电连接；所述第八比较器(A8)的输出端子与第十或门(A10)的另一个输入端子电连接；所述第八比较器(A8)的第一输入端子通过第二二极管(D2)接地；所述第七比较器(A7)的输出端子与第四反向器(A4)的输入端子电连接；所述第八比较器(A8)的输出端子与第三反向器(A3)的输入端子电连接；所述第七比较器(A7)的第二输入端子和第八比较器(A8)的第二输入端子短接进而形成最大功率控制信号的生成端子；
最大工作点追踪功能单元电路；所述最大工作点追踪功能单元电路包括第十一或非门(A11)和第十二或非门(A12)；所述第九或门(A9)的输出端子与第十一或非门(A11)的一个输入端子电连接；所述第十或门(A10)与第十二或非门(A12)的一个输入端子电连接；所述第十一或非门(A11)的另一个输入端子与第十二或非门(A12)的输出端子电连接；所述第十二或非门(A12)的另一个输入端子与第十一或非门(A11)的输出端子电连接；所述第十二或非门(A12)的输出端子与第一采样开关(S1)电连接；所述第十一或非门(A11)的输出端子与第二采样开关(S2)电连接；
输出信号生成功能单元电路；所述输出信号生成功能单元电路包括放大器(A14)；所述第十二或非门(A12)的输出端子与放大器(A14)的第一输入端子电连接；所述放大器(A14)的第二输入端子通过第三电容(C1)与放大器(A14)的输出端子电连接；所述放大器(A14)的输出端子为最大功率控制信号的生成端子。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，与传统技术相比较：
本专利采用数字及模拟器件，实现高可靠的最大工作点追踪电路，解决电路输出特性与电路复杂度两者之间的矛盾问题，使其在满足带宽、输出精度及电平的前提下，使电路更为简捷，可靠，以满足空间产品的需求；该专利电路解决了软件应用所带来的系统复杂性及相关配套集成电路选型受限的问题，使系统控制不仅输出带宽高，输出精度好，而且电路简洁，应用灵活。适应于高可靠、长寿命的深空探测的特殊应用需求。
附图说明
图1是本发明优选实施例的工作原理图；
图2是本发明优选实施例工作于最大点方式下的调节器原理框图；
图3是本发明优选实施例的电路图。
其中：F1、输入电压采样及保持功能单元电路；F2、输入电流采样及保持功能单元电路；F3、第一自启动及复位功能单元电路；F4、第二自启动及复位功能单元电路；F5、最大工作点追踪功能单元电路；F6、输出信号生成功能单元电路。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图3，一种空间用最大工作点追踪控制电路，包括：
输入电压采样及保持功能单元电路；所述输入电压采样及保持功能单元电路包括第一采样开关S1和第一比较器A1，电压采样点依次通过第一电阻R1、第一采样开关S1与第一比较器A1的第一比较端子电连接；所述电压采样点与第一比较器A1的第二比较端子短接；所述电压采样点依次通过第一电阻R1、第二电阻R2接地；所述第一比较器A1的第一比较端子通过第一电容CS1接地；
输入电流采样及保持功能单元电路；所述输入电流采样及保持功能单元电路包括第二采样开关S2和第二比较器A2，电流采样点依次通过第四电阻R4、第二采样开关S2与第二比较器A2的第一比较端子电连接；所述电流采样点与第二比较器A2的第二比较端子短接；所述电流采样点依次通过第四电阻R4、第三电阻R3接地；所述第二比较器A2的第一比较端子通过第二电容CS2接地；
第一自启动及复位功能单元电路；所述第一自启动及复位功能单元电路包括第三反向器A3、第七比较器A7、第五与门A5、第九或门A9；所述第一比较器A1的输出端子与第五与门A5的一个输入端子电连接；所述第三反向器A3的输出端子与第五与门A5的另一个输入端子电连接；所述第五与门A5的输出端子与第九或门A9的一个输入端子电连接；所述第七比较器A7的输出端子与第九或门A9的另一个输入端子电连接；所述第七比较器A7的第一输入端子通过第一二极管D1接地；
第二自启动及复位功能单元电路；所述第二自启动及复位功能单元电路包括第四反向器A4、第八比较器A8、第六与门A6、第十或门A10；所述第二比较器A2的输出端子与第六与门A6的一个输入端子电连接；所述第四反向器A4的输出端子与第六与门A6的另一个输入端子电连接；所述第六与门A6的输出端子与第十或门A10的一个输入端子电连接；所述第八比较器A8的输出端子与第十或门A10的另一个输入端子电连接；所述第八比较器A8的第一输入端子通过第二二极管D2接地；所述第七比较器A7的输出端子与第四反向器A4的输入端子电连接；所述第八比较器A8的输出端子与第三反向器A3的输入端子电连接；所述第七比较器A7的第二输入端子和第八比较器A8的第二输入端子短接进而形成最大功率控制信号的生成端子VCONTROL；
最大工作点追踪功能单元电路；所述最大工作点追踪功能单元电路包括第十一或非门A11和第十二或非门A12；所述第九或门A9的输出端子与第十一或非门A11的一个输入端子电连接；所述第十或门A10与第十二或非门A12的一个输入端子电连接；所述第十一或非门A11的另一个输入端子与第十二或非门A12的输出端子电连接；所述第十二或非门A12的另一个输入端子与第十一或非门A11的输出端子电连接；所述第十二或非门A12的输出端子与第一采样开关S1电连接；所述第十一或非门A11的输出端子与第二采样开关S2电连接；
输出信号生成功能单元电路；所述输出信号生成功能单元电路包括放大器A14；所述第十二或非门A12的输出端子与放大器A14的第一输入端子电连接；所述放大器A14的第二输入端子通过第三电容C1与放大器A14的输出端子电连接；所述放大器A14的输出端子为最大功率控制信号的生成端子VCONTROL。
本发明为解决空间应用的高可靠、全硬件最大工作点追踪控制技术而设计的简洁电路。该技术方案采用三款数字电路及三款模电路形式，通过设计适宜的电路形式和器件，解决了最大工作点追踪控制技术与电路复杂度两者之间的技术问题，使最大工作点追踪控制电路的输出精度、电平及带宽满足空间电源产品的控制要求。
本发明采取的技术方案见图3所示，最大工作点技术的原理可以表述为：在最大功率点时发电系统的静态和动态阻抗是相等的，即输出电压(V)与输出电流(I)及其变量dV、dI的关系可表示为
式(1)说明在对发电系统施加一定扰动的情况下，如果输出电压的变化量与输出电流的变化量相等，则表明系统已处于最大功率点(Pmax)处，这个过程可以用图1表示；
在本优选实施例中，F1及F2两个功能单元电路完成对发电系统的输出电压、电流值采样及电路保持功能，上述两功能单元分别由采样匹配电阻网络R1\R2(R3\R4)、采样开关S1(S2)、保持电容CS1(CS2)及比较器A1(A2)组成；F3及F4两个功能单元电路完成系统初始加电后的启动功能，分别包括反向器A3(A4)、与门A5(A6)、比较器A7(A8)、基准D1(D2)、或门A9(A10)构成；F5功能单元电路是由两个或非门A11、A12构成的触发器，通过比较当前电流、电压值与前一状态的电流、电压值，通过触发器输出状态的改变来左右移动输出能源的工作点(参考图1中的I-V曲线)，并最终收敛于最大功率点，完成最大工作点的追踪；F65功能单元电路采用由C1及放大器A14构成的积分器，完成最大功率点控制信号的生成。
该专利电路解决了软件应用所带来的系统复杂性及相关配套集成电路选型受限的问题，使系统控制不仅输出带宽高，输出精度好，而且电路简洁，应用灵活。适应于高可靠、长寿命的深空探测的特殊应用需求。
请参阅图1，图中曲线1代表发电系统的输出电流与输出电压的I/V关系曲线，曲线2代表发电系统的输出功率与输出电压的P/V关系曲线。P0代表发电系统输出恰好位于最大功率点处，P1点表示输出功率点低于最大功率点(欠点)，P2点表示输出功率点高于最大功率点(过点)。
请参阅图2，图2中的A即为上述优选实施例中的最大工作点追踪控制电路；从图2可以看出：由A完成对发电系统VIN的最大工作点追踪控制，其生成的控制信号VCONTROL作为A0(控制补偿网络)的输入控制信号，通过A0产生VERROR(误差信号)控制C0(PWM调制器)生成占空VD信号，该信号去驱动TQ1(功率开关管)的通断，并通过L1、L2、DP1及滤波网络(C1、R5、C2构成了滤波网络)构成的低输入电流纹波SUPER-BUCK拓扑执行单元与COUT(输出滤波电容)一起完成对RLOAD(负载)供电输出。达到VIN发电系统的最大功率调节输出的目的。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种空间用最大工作点追踪控制电路，其特征在于：至少包括：
输入电压采样及保持功能单元电路；所述输入电压采样及保持功能单元电路包括第一采样开关(S1)和第一比较器(A1)，电压采样点依次通过第一电阻(R1)、第一采样开关(S1)与第一比较器(A1)的第一比较端子电连接；所述电压采样点与第一比较器(A1)的第二比较端子短接；所述电压采样点依次通过第一电阻(R1)、第二电阻(R2)接地；所述第一比较器(A1)的第一比较端子通过第一电容(CS1)接地；
输入电流采样及保持功能单元电路；所述输入电流采样及保持功能单元电路包括第二采样开关(S2)和第二比较器(A2)，电流采样点依次通过第四电阻(R4)、第二采样开关(S2)与第二比较器(A2)的第一比较端子电连接；所述电流采样点与第二比较器(A2)的第二比较端子短接；所述电流采样点依次通过第四电阻(R4)、第三电阻(R3)接地；所述第二比较器(A2)的第一比较端子通过第二电容(CS2)接地；
第一自启动及复位功能单元电路；所述第一自启动及复位功能单元电路包括第三反向器(A3)、第七比较器(A7)、第五与门(A5)、第九或门(A9)；所述第一比较器(A1)的输出端子与第五与门(A5)的一个输入端子电连接；所述第三反向器(A3)的输出端子与第五与门(A5)的另一个输入端子电连接；所述第五与门(A5)的输出端子与第九或门(A9)的一个输入端子电连接；所述第七比较器(A7)的输出端子与第九或门(A9)的另一个输入端子电连接；所述第七比较器(A7)的第一输入端子通过第一二极管(D1)接地；
第二自启动及复位功能单元电路；所述第二自启动及复位功能单元电路包括第四反向器(A4)、第八比较器(A8)、第六与门(A6)、第十或门(A10)；所述第二比较器(A2)的输出端子与第六与门(A6)的一个输入端子电连接；所述第四反向器(A4)的输出端子与第六与门(A6)的另一个输入端子电连接；所述第六与门(A6)的输出端子与第十或门(A10)的一个输入端子电连接；所述第八比较器(A8)的输出端子与第十或门(A10)的另一个输入端子电连接；所述第八比较器(A8)的第一输入端子通过第二二极管(D2)接地；所述第七比较器(A7)的输出端子与第四反向器(A4)的输入端子电连接；所述第八比较器(A8)的输出端子与第三反向器(A3)的输入端子电连接；所述第七比较器(A7)的第二输入端子和第八比较器(A8)的第二输入端子短接进而形成最大功率控制信号的生成端子；
最大工作点追踪功能单元电路；所述最大工作点追踪功能单元电路包括第十一或非门(A11)和第十二或非门(A12)；所述第九或门(A9)的输出端子与第十一或非门(A11)的一个输入端子电连接；所述第十或门(A10)的输出端子与第十二或非门(A12)的一个输入端子电连接；所述第十一或非门(A11)的另一个输入端子与第十二或非门(A12)的输出端子电连接；所述第十二或非门(A12)的另一个输入端子与第十一或非门(A11)的输出端子电连接；所述第十二或非门(A12)的输出端子与第一采样开关(S1)电连接；所述第十一或非门(A11)的输出端子与第二采样开关(S2)电连接；
输出信号生成功能单元电路；所述输出信号生成功能单元电路包括放大器(A14)；所述第十二或非门(A12)的输出端子与放大器(A14)的第一输入端子电连接；所述放大器(A14)的第二输入端子通过第三电容(C1)与放大器(A14)的输出端子电连接；所述放大器(A14)的输出端子为最大功率控制信号的生成端子。
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