CN107635304A - 一种buck恒流控制电路及其在大功率led诱鱼灯控制系统中的应用 - Google Patents

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曹艳
王婷
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Abstract

本发明涉及一种BUCK恒流控制电路及其在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第一二极管D1、第二二极管D2，所述第一MOSFET开关管、所述第二MOSFET开关管并联连接，在直流输入母线处并联无感电容C1，所述第一MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R1，所述第二MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R2。本发明为由寄生电感引起的冲击电压提供了通路，避免了第一MOSFET开关管的门极及第二MOSFET开关管的门极之间产生震荡，增加了可靠性。

Description

一种BUCK恒流控制电路及其在大功率LED诱鱼灯控制系统中 的应用
技术领域
本发明涉及一种BUCK恒流控制电路及其在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，属于渔业灯光捕鱼技术领域。
背景技术
常规BUCK恒流控制电路通过降压电感、输出电容等组成BUCK拓扑结构，主控制器通过将输出电流和设定电流进行比较，产生一个脉宽可变的PWM信号，经过驱动放大后直接驱动第一MOSFET开关管。但是，寄生电感会引起冲击电压造成了第一MOSFET开关管的门极及第二MOSFET开关管的门极之间产生震荡，导致不稳定。
在捕鱼产业中，诱鱼灯是光诱鱼作业方式中不可缺少的一个产品，它主要是利用鱼的趋光特性，通过发光集鱼而捕鱼。目前，船上诱鱼灯光源都以金卤灯为主。
传统的金卤灯光效低(80-90lm/W左右)，金卤灯专用安定器存在单瓦成本高，无法即时启动，无法集中控制等缺点。
不同种类的鱼对光的色品和光的强弱的趋光性不同，所以对不同种类鱼群进行诱捕时，最好能根据需要转换集鱼捕鱼灯的亮度和光色。而现有的LED诱鱼灯都为白光单色温LED灯，不具有调光亮度和光色的功能；而金卤灯更不能实现以上功能；因此就不能根据不同鱼类对不同光色和亮度的趋光性，改变灯光的亮度和光色，影响捕鱼效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种BUCK恒流控制电路；
本发明还提供了上述BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用；
本发明为由寄生电感引起的冲击电压提供了通路，避免了第一MOSFET开关管的门极及第二MOSFET开关管的门极之间产生震荡，增加了可靠性。效率高，功率因数高，谐波小，通过主控制器对所有的LED诱鱼灯进行集中开关调光控制，恒流调节精度高且电压范围宽，可轻松实现LED诱鱼灯的串并联多种连接。
术语解释
PWM，是指脉冲宽度调制；
占空比，是指脉冲信号的通电时间与通电周期之比；
本发明的技术方案为：
一种BUCK恒流控制电路，包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第一二极管D1、第二二极管D2，所述第一MOSFET开关管、所述第二MOSFET开关管并联连接，在直流输入母线处并联无感电容C1，所述第一MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R1，所述第二MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R2。
本发明在常规BUCK电路做出的改进，增加了无感电容C1及驱动电阻R1，R2；兼顾到开关损耗和元器件体积，本发明基础频率选择20KHz。在直流输入母线处并联耐压值为600V、电容容量为0.47uF的无感电容C1，无感电容C1为由寄生电感引起的冲击电压提供了通路，使第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管的两端电压冲击由之前的950V降低为430V。第一MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R1，第二MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R2，避免了第一MOSFET开关管的门极及第二MOSFET开关管的门极之间产生震荡，增加了可靠性。
根据本发明优选的，所述第一MOSFET开关管、所述第二MOSFET开关管的型号均为SPW74N60C3，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2为型号为C3D20060SiC的SiC二极管。
型号为SPW74N60C3的第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管所用电感线径为.4mm2，值为1.2mH，磁芯为铁硅铝A773392双环并绕，第一二极管D1、第二二极管D2采用Cree公司的SiC二极管，该二极管无反向回复时间，可极大的降低第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管的开关损耗，非常适用于大功率BUCK恒流控制电路。
上述BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，所述大功率LED诱鱼灯控制系统，包括EMI滤波模块、PFC功率因数校正模块、BUCK恒流控制模块、远程通讯模块、主控制器、采集模块、电流电压温度检测模块、若干个LED诱鱼灯，所述EMI滤波模块、所述PFC功率因数校正模块、所述BUCK恒流控制模块依次连接，所述远程通讯模块、所述主控制器、所述采集模块依次连接，所述电流电压温度检测模块连接所述采集模块；所述BUCK恒流控制模块分别连接若干个LED诱鱼灯，所述采集模块分别连接若干个LED诱鱼灯；所述BUCK恒流控制模块的电路即BUCK恒流控制电路，所述具体步骤包括：
(1)输入宽电压AC85V-265V，通过所述EMI滤波模块滤除谐波；
(2)通过所述PFC功率因数校正模块，对步骤(1)宽电压AC85V-265V处理，得到稳定电压V1输出；
(3)采集模块采集多路LED诱鱼灯输出电流信号，并将采集到的电流信号发送至主控制器；
(4)根据不同的鱼类，上位机将该鱼类对应的LED诱鱼灯的设定电流通过所述远程通讯模块发送给主控制器；主控制器将采集到的电流与设定电流进行比较，产生一个脉宽可变的PWM信号；
(5)脉宽可变的PWM信号驱动所述BUCK恒流控制模块，在所述BUCK恒流控制模块中完成恒流控制：将采集的多路LED诱鱼灯输出电流信号进行滤波处理，对滤波处理后的多路LED诱鱼灯输出电流数据进行判断，取其中最大值作为BUCK恒流控制模块的PID环的实际值，与该鱼类对应的给定电流进行PID计算，得到的数据更新为PWM比较值，实现恒流控制。
根据本发明优选的，所述大功率LED诱鱼灯控制系统中，所述EMI滤波模块用于过滤EM噪声；提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器，计算机机房设备，开关电源，测控系统等领域。所述PFC功率因数校正模块用于衡量电力被有效利用的程度；当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。所述采集模块用于采集多路LED诱鱼灯输出电流信号、温度信号，并将采集到的信号传递给主控制器；所述BUCK恒流控制模块用于通过所述采集模块采集的多路LED诱鱼灯输出电流信号，控制PWM占空比，实现输出恒流到负载；所述电流电压温度检测模块用于检测电路中的电流信号、电压信号及温度信号，并将其发送至所述采集模块；所述远程通讯模块用于实现与上位机的连接，通过上位机实现对每盏LED诱鱼灯的精准控制；所述主控制器用于实现程序的自动运行，提供与其它模块连接的各种接口，对所述控制系统进行掉电保护，并对过电压过电流异常情况做出快速的响应。保证电路的安全工作。
根据本发明优选的，所述主控制器为ARM系列单片机。
主控制器内部时钟频率高达168MHz，可实现高达100KHz的采样速度，系统响应时间仅为10us，内部集成12位A/D转换器，采样精度可高达0.02％，通过采集模块采集的多路的LED诱鱼灯输出电流，来控制PWM占空比，实现恒流调节，采集直流母线电压和输出电压，进行掉电保护，并对过电压过电流等异常情况做出快速的响应；保证电路的安全工作。考虑到LED诱鱼灯伏安特性比较陡的情况，恒流电路高分辨率是非常必要的，主控制器可在BUCK频率为20KHz的情况下使分辨率达到0.01％，充分满足系统调节所需要的精度。
根据本发明优选的，所述主控制器通过SP3485串口驱动芯片与上位机进行通讯，所述主控制器接收上位机发送的MODBUS格式的指令，实现智能调节LED诱鱼灯亮度和LED诱鱼灯开关。
为减少对船用发电机造成的冲击，上电初始过程采用软启动技术，软启动时间可在程序设定。
根据本发明优选的，所述PFC功率因数校正模块中主控制芯片的型号为ICE3PCS01。
所述PFC功率因数校正模块通过升压电感、输出电容等组成Boost拓扑结构，输入电流与基准电流比较后的误差电流经过放大后再与PWM信号比较，得到开关管驱动信号，快速而精确地使输入电流平均值与输入整流电压同相位，接近正弦波。所述PFC功率因数校正模块修复了前几代芯片的BUG,可对输出过电压、输入低电压等异常情况进行保护，在电压有剧烈波动的情况下依然正常工作，不会出现电感饱和以及芯片触发过电流保护等可能造成故障的情况。升压电感采用1.2mH双77439A7铁硅铝磁环并绕1.7线径，电感余量大，抗饱和能力强，通流能力大。能大大减小输入电流的谐波分量，在AC85V-265V的宽电压输入范围内得到稳定的DC380V输出，功率因数高达0.99。
所述EMI滤波模块通过滤波电感L3、X型共模电容C7、C9和Y型差模电容C8、C10-C12实现谐波的滤除和电源质量的提升，以保护船用发电机。同时通过一个NTC热敏电阻R1来避免上电时由大电解电容带来的冲击，在直流母线电压超过280V后控制器控制继电器K1吸合，将NTC热敏电阻R1短路。
电压检测通过电阻R17将高压转换成电流信号，利用光耦U10的电流线性传输的特性，在低压侧通过250Ω采样电阻R1来检测电压，实现高低压的隔离，增加了系统的稳定性和安全性。电流检测通过ACS712芯片将-20A—+20A的电流转化为0.5—4.5V的电压进行采样，采样精度可达0.1％，采样速度可达100KHz，提高了系统的响应速度和控制精度。
远程通讯模块实现一个主机可带多达128个从站。上位机连接采用MODBUS RTU协议，通过轮询的方式实现对每盏灯的精确控制。
根据本发明优选的，所述LED诱鱼灯控制系统还包括防雷和漏电保护模块，通过所述BUCK恒流控制模块接地。防雷和漏电保护模块提高了对雷击电压冲击的耐受性，并且避免了由于漏电带来的潜在人身威胁。
本发明的有益效果为：
1、本发明为由寄生电感引起的冲击电压提供了通路，避免了第一MOSFET开关管的门极及第二MOSFET开关管的门极之间产生震荡，增加了可靠性。
2、本发明采用BOOST+BUCK架构，整机峰值功率可达2400瓦，效率高达95％。
3、采用先进的连续电流型PFC技术，功率因数高达0.99，且谐波含量小。
4、本发明主控制器通过MODBUS总线对所有的LED诱鱼灯进行集中开关调光控制，且能实时监测每盏LED诱鱼灯的运行状态；本发明主控制器采用高性能ARM单片机，168M赫兹的主频使恒流调节精度高且电压范围宽，并可轻松实现LED诱鱼灯的串并联多种连接。
5、本发明通过上位机数据库可以记录LED诱鱼灯的历史开关次数、运行时间、运行电压电流等重要技术参数。
附图说明
图1是BUCK恒流控制模块的电路原理示意图；
图2是本发明所述大功率LED诱鱼灯控制系统结构框图；
图3是EMI滤波模块的电路原理示意图；
图4是电流电压温度检测模块的电路原理示意图；
图5是若干个LED诱鱼灯原理示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种BUCK恒流控制电路，包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第一二极管D1、第二二极管D2，所述第一MOSFET开关管、所述第二MOSFET开关管并联连接，在直流输入母线处并联无感电容C1，所述第一MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R1，所述第二MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R2。如图1所示。
本发明在常规BUCK电路做出的改进，增加了无感电容C1及驱动电阻R1，R2；兼顾到开关损耗和元器件体积，本发明基础频率选择20KHz。在直流输入母线处并联耐压值为600V、电容容量为0.47uF的无感电容C1，无感电容C1为由寄生电感引起的冲击电压提供了通路，使第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管的两端电压冲击由之前的950V降低为430V。第一MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R1，第二MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R2，避免了第一MOSFET开关管的门极及第二MOSFET开关管的门极之间产生震荡，增加了可靠性。
所述第一MOSFET开关管、所述第二MOSFET开关管的型号均为SPW74N60C3，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2为型号为C3D20060SiC的SiC二极管。
型号为SPW74N60C3的第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管所用电感线径为.4mm2，值为1.2mH，磁芯为铁硅铝A773392双环并绕，第一二极管D1、第二二极管D2采用Cree公司的SiC二极管，该二极管无反向回复时间，可极大的降低第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管的开关损耗，非常适用于大功率BUCK恒流控制电路。
实施例2
上述BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，所述大功率LED诱鱼灯控制系统，如图2所示，包括EMI滤波模块、PFC功率因数校正模块、BUCK恒流控制模块、远程通讯模块、主控制器、采集模块、电流电压温度检测模块、若干个LED诱鱼灯，所述EMI滤波模块、所述PFC功率因数校正模块、所述BUCK恒流控制模块依次连接，所述远程通讯模块、所述主控制器、所述采集模块依次连接，所述电流电压温度检测模块连接所述采集模块；所述BUCK恒流控制模块分别连接若干个LED诱鱼灯，所述采集模块分别连接若干个LED诱鱼灯；若干个LED诱鱼灯原理示意图如图5所示，所述BUCK恒流控制模块的电路即BUCK恒流控制电路，所述具体步骤包括：
(1)输入宽电压AC85V-265V，通过所述EMI滤波模块滤除谐波；
(2)通过所述PFC功率因数校正模块，对步骤(1)宽电压AC85V-265V处理，得到稳定电压V1输出；
(3)采集模块采集多路LED诱鱼灯输出电流信号，并将采集到的电流信号发送至主控制器；
(4)根据不同的鱼类，上位机将该鱼类对应的LED诱鱼灯的设定电流通过所述远程通讯模块发送给主控制器；主控制器将采集到的电流与设定电流进行比较，产生一个脉宽可变的PWM信号；
(5)脉宽可变的PWM信号驱动所述BUCK恒流控制模块，在所述BUCK恒流控制模块中完成恒流控制：将采集的多路LED诱鱼灯输出电流信号进行滤波处理，对滤波处理后的多路LED诱鱼灯输出电流数据进行判断，取其中最大值作为BUCK恒流控制模块的PID环的实际值，与该鱼类对应的给定电流进行PID计算，得到的数据更新为PWM比较值，实现恒流控制。
所述大功率LED诱鱼灯控制系统中，所述EMI滤波模块用于过滤EM噪声；如图3所示，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器，计算机机房设备，开关电源，测控系统等领域。所述PFC功率因数校正模块用于衡量电力被有效利用的程度；当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。所述采集模块用于采集多路LED诱鱼灯输出电流信号、温度信号，并将采集到的信号传递给主控制器；所述BUCK恒流控制模块用于通过所述采集模块采集的多路LED诱鱼灯输出电流信号，控制PWM占空比，实现输出恒流到负载；所述电流电压温度检测模块用于检测电路中的电流信号、电压信号及温度信号，并将其发送至所述采集模块，其电路原理图如图4所示；所述远程通讯模块用于实现与上位机的连接，通过上位机实现对每盏LED诱鱼灯的精准控制；所述主控制器用于实现程序的自动运行，提供与其它模块连接的各种接口，对所述控制系统进行掉电保护，并对过电压过电流异常情况做出快速的响应。保证电路的安全工作。
所述主控制器为ARM系列单片机。
主控制器内部时钟频率高达168MHz，可实现高达100KHz的采样速度，系统响应时间仅为10us，内部集成12位A/D转换器，采样精度可高达0.02％，通过采集模块采集的多路的LED诱鱼灯输出电流，来控制PWM占空比，实现恒流调节，采集直流母线电压和输出电压，进行掉电保护，并对过电压过电流等异常情况做出快速的响应；保证电路的安全工作。考虑到LED诱鱼灯伏安特性比较陡的情况，恒流电路高分辨率是非常必要的，主控制器可在BUCK频率为20KHz的情况下使分辨率达到0.01％，充分满足系统调节所需要的精度。
所述主控制器通过SP3485串口驱动芯片与上位机进行通讯，所述主控制器接收上位机发送的MODBUS格式的指令，实现智能调节LED诱鱼灯亮度和LED诱鱼灯开关。
为减少对船用发电机造成的冲击，上电初始过程采用软启动技术，软启动时间可在程序设定。
所述PFC功率因数校正模块中主控制芯片的型号为ICE3PCS01。
所述PFC功率因数校正模块通过升压电感、输出电容等组成Boost拓扑结构，输入电流与基准电流比较后的误差电流经过放大后再与PWM信号比较，得到开关管驱动信号，快速而精确地使输入电流平均值与输入整流电压同相位，接近正弦波。所述PFC功率因数校正模块修复了前几代芯片的BUG,可对输出过电压、输入低电压等异常情况进行保护，在电压有剧烈波动的情况下依然正常工作，不会出现电感饱和以及芯片触发过电流保护等可能造成故障的情况。升压电感采用1.2mH双77439A7铁硅铝磁环并绕1.7线径，电感余量大，抗饱和能力强，通流能力大。能大大减小输入电流的谐波分量，在AC85V-265V的宽电压输入范围内得到稳定的DC380V输出，功率因数高达0.99。
所述EMI滤波模块通过滤波电感L3、X型共模电容C7、C9和Y型差模电容C8、C10-C12实现谐波的滤除和电源质量的提升，以保护船用发电机。同时通过一个NTC热敏电阻R1来避免上电时由大电解电容带来的冲击，在直流母线电压超过280V后控制器控制继电器K1吸合，将NTC热敏电阻R1短路。
电压检测通过电阻R17将高压转换成电流信号，利用光耦U10的电流线性传输的特性，在低压侧通过250Ω采样电阻R1来检测电压，实现高低压的隔离，增加了系统的稳定性和安全性。电流检测通过ACS712芯片将-20A—+20A的电流转化为0.5—4.5V的电压进行采样，采样精度可达0.1％，采样速度可达100KHz，提高了系统的响应速度和控制精度。
远程通讯模块实现一个主机可带多达128个从站。上位机连接采用MODBUS RTU协议，通过轮询的方式实现对每盏灯的精确控制。
所述LED诱鱼灯控制系统还包括防雷和漏电保护模块，通过所述BUCK恒流控制模块接地。防雷和漏电保护模块提高了对雷击电压冲击的耐受性，并且避免了由于漏电带来的潜在人身威胁。

Claims (8)

1.一种BUCK恒流控制电路，其特征在于，包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第一二极管D1、第二二极管D2，所述第一MOSFET开关管、所述第二MOSFET开关管并联连接，在直流输入母线处并联无感电容C1，所述第一MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R1，所述第二MOSFET开关管的门极连接驱动电阻R2。
2.根据权利要求1所述的一种BUCK恒流控制电路，其特征在于，所述第一MOSFET开关管、所述第二MOSFET开关管的型号均为SPW74N60C3，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2为型号为C3D20060SiC的SiC二极管。
3.权利要求1或2所述BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，其特征在于，所述大功率LED诱鱼灯控制系统，包括EMI滤波模块、PFC功率因数校正模块、BUCK恒流控制模块、远程通讯模块、主控制器、采集模块、电流电压温度检测模块、若干个LED诱鱼灯，所述EMI滤波模块、所述PFC功率因数校正模块、所述BUCK恒流控制模块依次连接，所述远程通讯模块、所述主控制器、所述采集模块依次连接，所述电流电压温度检测模块连接所述采集模块；所述BUCK恒流控制模块分别连接若干个LED诱鱼灯，所述采集模块分别连接若干个LED诱鱼灯；所述BUCK恒流控制模块的电路即所述BUCK恒流控制电路，所述具体步骤包括：
(1)输入宽电压AC85V-265V，通过所述EMI滤波模块滤除谐波；
(2)通过所述PFC功率因数校正模块，对步骤(1)宽电压AC85V-265V处理，得到稳定电压V1输出；
(3)采集模块采集多路LED诱鱼灯输出电流信号，并将采集到的电流信号发送至主控制器；
(4)根据不同的鱼类，上位机将该鱼类对应的LED诱鱼灯的设定电流通过所述远程通讯模块发送给主控制器；主控制器将采集到的电流与设定电流进行比较，产生一个脉宽可变的PWM信号；
(5)脉宽可变的PWM信号驱动所述BUCK恒流控制模块，在所述BUCK恒流控制模块中完成恒流控制：将采集的多路LED诱鱼灯输出电流信号进行滤波处理，对滤波处理后的多路LED诱鱼灯输出电流数据进行判断，取其中最大值作为BUCK恒流控制模块的PID环的实际值，与该鱼类对应的给定电流进行PID计算，得到的数据更新为PWM比较值，实现恒流控制。
4.根据权利要求3所述的BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，其特征在于，所述大功率LED诱鱼灯控制系统中，所述EMI滤波模块用于过滤EM噪声；所述PFC功率因数校正模块用于衡量电力被有效利用的程度；所述采集模块用于采集多路LED诱鱼灯输出电流信号、温度信号，并将采集到的信号传递给主控制器；所述BUCK恒流控制模块用于通过所述采集模块采集的多路LED诱鱼灯输出电流信号，控制PWM占空比，实现输出恒流到负载；所述电流电压温度检测模块用于检测电路中的电流信号、电压信号及温度信号，并将其发送至所述采集模块；所述远程通讯模块用于实现与上位机的连接，通过上位机实现对每盏LED诱鱼灯的精准控制；所述主控制器用于实现程序的自动运行，提供与其它模块连接的各种接口，对所述控制系统进行掉电保护，并对过电压过电流异常情况做出快速的响应。
5.根据权利要求3所述的BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，其特征在于，所述主控制器为ARM系列单片机。
6.根据权利要求3所述的BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，其特征在于，所述主控制器通过SP3485串口驱动芯片与上位机进行通讯，所述主控制器接收上位机发送的MODBUS格式的指令，实现智能调节LED诱鱼灯亮度和LED诱鱼灯开关。
7.根据权利要求3所述的BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，其特征在于，所述PFC功率因数校正模块中主控制芯片的型号为ICE3PCS01。
8.根据权利要求3所述的BUCK恒流控制电路在大功率LED诱鱼灯控制系统中的应用，其特征在于，所述LED诱鱼灯控制系统还包括防雷和漏电保护模块，通过所述BUCK恒流控制模块接地。
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CN109600879A (zh) * 2018-11-29 2019-04-09 南宁思飞电子科技有限公司 一种基于防止光照过强与鱼群位置的自动控制诱鱼灯控制方法

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