CN203933146U - 用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路，包括有驱动电源、功率驱动器（IR2101）、网电接入端和太阳能供电接入端、第一IGBT开关（Q1）和第二IGBT开关（Q2），第一IGBT开关（Q1）的栅极与高边栅极驱动器输出引脚（HO）相连且二者之间串接有第一IGBT驱动电阻（R1），所述的第二IGBT开关（Q2）的集电极与和网电接入端相连接，第二IGBT开关（Q2）的发射极与供电支路相连，第二IGBT开关（Q2）的栅极与低边栅极驱动器输出引脚（LO）相连接且二者之间串接有第二IGBT驱动电阻（R2）。本实用新型的优点是电路设计简单，构成合理，切换稳定性好。

Description

用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路

技术领域

本实用新型属于电子应用技术，具体是指一种用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路。

背景技术

随着全球工业的大发展，石油化石能源日益枯竭。所以，太阳能作为一种清洁环保的新能源，得到大力的开发是社会发展的必然趋势。但是目前太阳能的转化率并不高，运用到实际生活中会遇到很多问题，比如遇到连续的阴雨天气都会导致太阳能无法正常供电，影响人类生产和生活。

因此，为了能实现稳定地供电，又能将清洁的太阳能得以利用，将太阳能和网电结合一起共享供电是目前较为流行的供电方案。然而，该方案势必需要设计一种电力切换电路以方便将负载的供电从太阳能和网电之间进行切换，然而，现有技术中，现有的电力切换电路存在两种问题，其中一种切换电路设计过于复杂，切换的稳定性不佳，可靠性不好。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种电路设计简单，且大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性的适用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是包括有驱动电源、功率驱动器（IR2101）、网电接入端和太阳能供电接入端、第一IGBT开关（Q1）和第二IGBT开关（Q2），该功率驱动器上设置有逻辑输入高引脚（HIN）、逻辑输入低引脚（LIN）、高端浮动供应引脚（VB）、高边栅极驱动器输出引脚（HO）、高端浮动供应返回引脚（Vs）、电源输入引脚（Vcc）为电源、低边栅极驱动器输出引脚（LO）和公共端引脚（COM），所述的电源输入引脚（Vcc）与驱动电源相连接，所述的高端浮动供应返回引脚（Vs）上连接设置用于给负载供电的供电支路，所述的驱动电源与供电支路之间连接有自举电容（C2），且所述的高端浮动供应引脚（VB）连接于自举电容（C2）靠近驱动电源一侧的端脚上，第一IGBT开关（Q1）的集电极与和太阳能供电接入端相连接，第一IGBT开关（Q1）的发射极与供电支路相连，第一IGBT开关（Q1）的栅极与高边栅极驱动器输出引脚（HO）相连且二者之间串接有第一IGBT驱动电阻（R1），所述的第二IGBT开关（Q2）的集电极与和网电接入端相连接，第二IGBT开关（Q2）的发射极与供电支路相连，第二IGBT开关（Q2）的栅极与低边栅极驱动器输出引脚（LO）相连接且二者之间串接有第二IGBT驱动电阻（R2）。

进一步设置是还包括有辅助电压模块（J1），该辅助驱动电源与电压模块（J1）的正极之间正向偏置设置有肖特基二极管，且该电压模块（J1）的正极连接于自举电容（C2）靠近驱动电源一侧的端脚上，电压模块（J1）的负极与供电支路相连接。

进一步设置是还包括有储能电容（C1），该储能电容（C1）的一端接地，另一端与驱动电源和电源输入引脚（Vcc）相连。

本实用新型的优点是电路设计简单，构成合理，切换稳定性好。详细见具体实施例中应用例。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做进一步介绍。

附图说明

图1 本实用新型具体实施方式电路图；

图2 本实用新型应用于太阳能和网电共享供电装置的系统组成原理框图；

图3本实用新型应用于太阳能和网电共享供电装置的工作流程图；

图4本实用新型应用于太阳能和网电共享供电装置的光伏发电和充电电路图；

图5本实用新型应用于太阳能和网电共享供电装置的逆变电路图；

图6本实用新型应用于太阳能和网电共享供电装置的LED供电电路；

图7本实用新型应用于太阳能和网电共享供电装置的LED串并联组合图。

具体实施方式

下面通过实施例对本实用新型进行具体的描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定。

如图1-7所示，将本实用新型应用于太阳能和网电共享供电装置的应用例，本实用新型的具体实施方式，本实施例考虑到切换的是220V的交流电同时为了减小系统体积，采用IGBT来作为软开关器件，此时需要设计一个IGBT的驱动电路，这里选用双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器IR2101作为IGBT的驱动器，IR2101其主要特性包括：悬浮通道电源采用自举电路；功率器件栅极驱动电压范围10～20 V；逻辑电源范围5～20 V允许+5 V的偏移量；独立的低端和高端输入通道。上述电源转换电路如图1所示，在功率驱动器IR2110芯片中，HIN为逻辑输入高；LIN为逻辑输入低；VB为高端浮动供应；HO为高边栅极驱动器输出；Vs为高端浮动供应返回；Vcc为电源；LO为低边栅极驱动器输出；COM为公共端。IR2101的HIN和LIN管脚分别接图4单片机（AT89C51）的P3.4和P3.5管脚，当采样的蓄电池电压足够提供负载额定工作的时候，单片机P3.4输出高电平信号，P3.5输出低电平信号，此时HO也输出高电平，通过IR2101的电容自举功能就能触发Q₁导通，此时负载就由蓄电池逆变出的电源进行供电。当检测到蓄电池电量不足时，P3.4输入低电平，P3.5输入高电平时Q₁关断，Q₂导通；如此负载就由网电供电。由于IR2101芯片的特性，特地加入一个辅助电压模块J1，J1提供12V的直流电压，能够使IGBT保持导通和关闭状态。

如图1所示的各器件布置，驱动电源1、网电接入端2和太阳能供电接入端3，其中C1起到储能的作用，当驱动电源输入电压不稳时可以放电，使得功率驱动器IR2101输入电压保持稳定。C2是IR2101的自举电容，对C2充能之后使芯片具有扩大信号输出的功能，以此提升驱动IGBT的电压信号。反向恢复过程超快的肖特基二极管能阻止J1电流回流向IR2101，并快速稳定。后面两个SGH40N60的IGBT起到开关的作用，有驱动信号时打开，没有时则关闭，实现自动控制LED灯之目的。R1和R2则是IGBT的驱动电阻，它既能限制电流，也能抑制震荡。图3中单片机（AT89C51）两个输出口（P3.4及P3.5）分别接图1中IR2101的HIN和LIN管脚，当采样的蓄电池电压足够提供负载额定工作电压时，单片机P3.4输出高电平信号，P3.5输出低电平信号，此时HO也输出高电平，通过IR2101的电容自举功能就能触发图1中Q₁导通，此时负载就由蓄电池进行供电。当检测到蓄电池电压不足时，P3.4输入低电平、P3.5输入高电平时图1中Q₁关断且Q₂导通，负载就由市电供电。由于功率驱动器IR2101芯片的特性，加入一个辅助电压模块J1提供12V的直流电压，能够确保IGBT的导通和关闭。

如图2所示，由于光伏电池在不同光照下呈现出的是非线性变化，需要对光伏电池进行电压的检测，并选择最合适的电压对蓄电池进行充电。该太阳能与网电互补LED照明系统中，主要包括太阳能电池、蓄电池、蓄电池充放电管理、逆变器、电源切换开关以及LED照明灯等。系统组成如图2所示，主要由管理模块来协调工作，主要完成对太阳能电池电压的检测，蓄电池的充电以及LED负载供电电源的选择，当蓄电池不足以使LED正常工作时自动切换到网电电源，以保证LED照明不间断。

系统工作流程如图3所示，在蓄电池低于10V时光电池进行充电，高于12V时开始放电，有一个充放电区间，不会过充或过放，在蓄电池电压不足10V时，光伏电池电压一旦达到12V将会立刻开始充电，蓄电池只充电不放电，而不是一充到10V立刻放电，导致蓄电池不停地循环充放，易损坏。蓄电池的作用变得更大，储存来自光伏电池的电能将更多。

工作流程图体现了以蓄电池作为太阳能发电的载体，在太阳能充足的条件下光伏电池发电经由逆变器升压变换供电；在阴雨天气，太阳能不足的情况下切换到市电供电，体现光电与市电结合的特点。

另外，为了保证蓄电池在合适电压下进行充电，保证蓄电池的寿命，需要对太阳能电池向蓄电池的充电进行管理。如图4中采用脉宽调制（PWM）型充电管理模块，PWM信号来自单片机AT89C51的P3.0脚。当蓄电池达到完全充电状态时，迅速断开充电电流。随着蓄电池对LED灯供电，蓄电池端电压逐渐减小；低于一定程度时，丛而使流入蓄电池的电流减小。大部分PWM控制器都包含嵌入式模块，以消除夜间回流的损失，因此，不需要再为此类控制器额外添加二极管。

图4是整个系统中太阳能发电并给蓄电池充电部分，由两个模块DC/DC降压电路和充电模块组成。在DC/DC转换模块中，C1和C2两个电容在导通时充电，截止时放电，从而起到滤波并保持输入电压平稳的作用，D3和D4两个二极管则起到续流的作用，在光伏电池板停止工作时让电容进行放电。Q1则是一个MOS管，通过单片机采集到的太阳能电池的电压和蓄电池的电压对输入的PWM驱动信号的占空比进行调节，使充电电流稳定，保持蓄电池最佳的充电电压。

充电电路中三极管Q2和Q3起到了控制电流导通的开关作用，Q4的MOS管则起到软开关的作用。D5作为防反冲二极管，在光伏电池电压低于蓄电池电压时，防止蓄电池电流反向给光伏电池充电。D6能在MOS管Q4停止工作时对栅极进行放电，使栅极快速关闭。R7则为驱动电阻，它既能抑制震荡，也能限制电流。充电电路的工作方式为：

①当单片机（AT89C51）输出的PWM波为高电平时，三极管Q2和Q3导通，使功率型场效应晶体管IRF4905（Q4）导通，光伏电池与蓄电池的正极相连，光伏电池可给蓄电池供电。

②当单片机（AT89C51）输出的PWM波为低电平时，三极管Q2和Q3截止，使功率型场效应晶体管Q4截止，光伏电池与蓄电池的正极断开，光伏电池停止给蓄电池供电。

电压检测模块主要由电压采样电路和A/D转换芯片（ADC0808）组成，其中R1和R7起到分压的作用，因为ADC0808所能采集的电压不能超过5V，所以需要分压。电阻R2和R8将被测电流转换成电压，二极管D1和D2起到整流和保护的作用，C3和C5为滤波电容，C4和C6为消振电容，运放LM324和电阻R11、R12、R5、R6构成运算放大电路。ADC0808芯片能将采集到的模拟信号转换成数字信号，然后输出到单片机（AT89C51），通过单片机换算就能得到采集的电压的数值。ADC0808无自带时钟，需要外加时钟信号。

单片机（AT89C51）需要外加一个晶振电路，晶振的脉冲频率决定了单片机的运算速度。但是超过24MHz工作就不稳定。晶振两端的电容叫做晶振的负载电容，它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度；单片机（AT89C51）的作用是对采集的光伏电池和蓄电池的电压进行判断，然后根据采集到的电压输出不同占空比的PWM波将充电保持在蓄电池的最佳充电状态。

本应用例，在整个太阳能与网电互补切换电路中比较重要的一环，需要再单片机的控制下实现网电与蓄电池电源的自动选择和切换，如图4所示。但是不能在蓄电池还有充足电量的情况下就把电源切换到网电，还需要对蓄电池电压进行检测。

在蓄电池电压检测时，不能直接将蓄电池直接接到单片机上进行读取，因为单片机只能接受数字信号，蓄电池电压是一个模拟信号，所以需要用到模数转换电路来间接提供蓄电池的电压信息。此处使用现在比较常用的A/D转换芯片ADC0808，它是一个分辨率为8位采样芯片，以逐次逼近原理进行模数转换的CMOS集成器件。

在选定完芯片以后我们需要进行芯片前级的电压检测电路，本实用新型设计的电压检测电路可以同时用在太阳能电池输出电压和蓄电池电压，由于采样芯片ADC0808单级性情况下输入的电压范围是0~5V，所以电压检测电路需要有一定的分压作用，保证输出电压不超过5V，再由电阻之间的比值，通过换算得到初始电压的大小，如此就可以完成对电压的检测了。本实用新型的电压检测电路如图4所示，通过运放LM324的负反馈特性，可以得到输入、输出电压Vin与Vout之间的关系：

（1）

根据光伏电池的特性可知，光伏电池的最大输出电压为17V，通过换算Vout最大为3.1左右，没有超过ADC0808的检测范围，而蓄电池最大的电压一般也不会超过12V，所以此电压检测电路是完全可行的。

设计完电压检测电路以后，单片机根据检测到的电压来自动选择和切换LED照明灯的电源，当检测到蓄电池电压在10.5V以上时表示蓄电池电量还充足，能够使LED照明灯正常工作，当检测到蓄电池电压在10.5V以下时，表示蓄电池电量不足以使LED照明灯正常工作，需要切断蓄电池供电，启用网电电源来提供LED照明灯使用。

图5是包括驱动板在内的逆变电路，其中L7805是一个稳压管，在稳压管L7805两端接有C1、C2两个电容用于储能，并且滤波抑制输入电压纹波，确保当前端电压变化时输出给稳压器的电压恒定。稳压管L7805能够实现驱动板的单电源供电，只需要一个12V的直流电源就能得到12V和+5V两种稳定电压。四个型号IRFB3607的MOS管则组成一个H桥逆变电路，在MOS管IRFB3607的前端接4.7?的电阻是驱动电阻，它既能抑制震荡，也能限制电流。接入10K?的电阻，这里的作用有三个：①MOS管在使用时，栅极不能悬空，必须接到一个固定的电位才行。悬空栅极会造成MOS的损坏；②此电阻在开关周期内可作为放电电阻使用；③由于MOS的DG极之间存在寄生电容Cgd，在没导通之前，D极的高压可以通过Cgd直接连到G极，导致MOS的损坏，此电阻起到一个释放的作用。

在图5 逆变电路中10K?电阻左端接上二极管的作用为防止驱动信号直接通过10K?电阻而不流向栅极调节MOS的通断。

太阳能向蓄电池充电可以提供12V电源。在驱动电路中，由于EG8010芯片是5V单电源供电，而IR2110S是12V单电源供电。为了简化电路，减少外接电源，可以使用一个5V的三端稳压器LM7805来实现整个驱动板的单电源供电。LM7805设计的稳压电路，外围电路简单，最大输入电压可达到35V，最小输入电压可为2V，输出电压稳定在5±0.2V。

本应用例采用单项桥式逆变电路，如图5所示，使用IRFB3607的MOS管来作为桥臂开关器件并加入保护电阻和二极管。

因为我们采用直接12V直流逆变，所以得到的交流电压不足12V。但是我们需要得到的是220V的交流电压，所以我们还需要对电压进行升压。在一个逆变电路中升压方式有两种，我们可以采用前级升压，也就是对12V直流进行直流升压。或者我们可以对逆变产生的交流进行交流升压。为了简化电路，省去设计直流升压模块，我打算使用工频变压器来对产生的交流电进行升压。

变压器的绕制需要对电路中电压和功率进行计算，在工频变压器中每伏电压需要绕制的线圈匝数(N)由公式(2)可得：

（2）

其中N为每伏电压需要的线圈扎数，B为硅钢片的磁通密度，B根据铁芯材料的不同，磁通密度会有很大的区别，一般高硅钢片可达1.2-1.4T，中等的约1-1.2T，低等的约0.7-1T，最差的约0.5-0.7T，S为铁芯面积S=0.9ab/cm²，f为频率，因为这边是工频变压器，所以f=50Hz。

由实际实验得出，逆变电路输出的电压为6V，所以可以计算得出工频变压器一次侧的线圈匝数为6N，二次侧的线圈匝数为220N。

本应用例的LED照明灯，需要设计相应的LED驱动电路，只有设计了合理的驱动器才能做到电流和电压的匹配使LED正常工作。220V交流电压输出的LED驱动器图6所示。

图6是220V LED电源的驱动电路。其中保险丝(Fuse)起到整个电路的保护作用，当电路中电流过大就会自动断开电路。图6中C1起到交流电限流的作用，选用0.47Uf/400V规格，与C1并联的1M?电阻R1起到保护电容的作用，当电路停止工作时对C1进行放电；在限流完成之后接有四个二极管构成的桥式整流电路，使交流电变成直流电。R3也同样起到限流的作用，在LED电源并联电容C2起到滤波的作用，C2大小由公式C ≥ 2T/RL决定，C2与整流桥构成一个整流滤波电路。而与C2并联的Z1则起到保护作用，当LED光源发生短路的时候，防止直流电反接电容C2的情况。R4则起到分压降低电流的作用。

如图6，本应用例的LED 灯具需要合理地进行串并联组合，才能保证LED 正常工作并且亮度达到要求。比如在需要较高亮度的LED 的产品中需要多个LED组合，若将所有的LED 串联，则需要较高的驱动电压。如果将所有LED 并联，则需要较大的驱动电流。所以需要通过合理得设计，才能使驱动电源和亮度都达到要求，可以采用如图6的混联方式。图中制作LED照明灯，单个LED额定工作情况下电压在3.2V左右（取3V），电流取10mA。由4个LED串联、10条相同的LED灯组并联可得到一个12V、100mA的LED灯组。整流后得到的电压大约是交流电的0.9倍，所以得到200V左右的直流电压。所以需要在LED灯组之前串联一个能分担188V压的电阻，计算得到阻值为188/0.1=1.88K?的电阻，所以可以串联一个1.8K?的电阻作为分压，如图6中的R4。

Claims (3)

1.一种用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路，其特征在于：包括有驱动电源、功率驱动器（IR2101）、网电接入端和太阳能供电接入端、第一IGBT开关（Q1）和第二IGBT开关（Q2），该功率驱动器上设置有逻辑输入高引脚（HIN）、逻辑输入低引脚（LIN）、高端浮动供应引脚（VB）、高边栅极驱动器输出引脚（HO）、高端浮动供应返回引脚（Vs）、电源输入引脚（Vcc）为电源、低边栅极驱动器输出引脚（LO）和公共端引脚（COM），所述的电源输入引脚（Vcc）与驱动电源相连接，所述的高端浮动供应返回引脚（Vs）上连接设置用于给负载供电的供电支路，所述的驱动电源与供电支路之间连接有自举电容（C2），且所述的高端浮动供应引脚（VB）连接于自举电容（C2）靠近驱动电源一侧的端脚上，第一IGBT开关（Q1）的集电极与太阳能供电接入端相连接，第一IGBT开关（Q1）的发射极与供电支路相连，第一IGBT开关（Q1）的栅极与高边栅极驱动器输出引脚（HO）相连且二者之间串接有第一IGBT驱动电阻（R1），所述的第二IGBT开关（Q2）的集电极与网电接入端相连接，第二IGBT开关（Q2）的发射极与供电支路相连，第二IGBT开关（Q2）的栅极与低边栅极驱动器输出引脚（LO）相连接且二者之间串接有第二IGBT驱动电阻（R2）。

2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路，其特征在于：还包括有12V供电的辅助电压模块（J1），辅助驱动电源与该电压模块（J1）的正极之间正向偏置设置有肖特基二极管，且该电压模块（J1）的正极连接于自举电容（C2）靠近驱动电源一侧的端脚上，电压模块（J1）的负极与供电支路相连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于太阳能和网电共享供电装置的电力切换电路，其特征在于：还包括有储能电容（C1），该储能电容（C1）的一端接地，另一端与驱动电源和电源输入引脚（Vcc）相连。