一种新光伏MPPT算法及硬件实现和实用性分析

经实测A，B两点间的PWM波占空比范围能达到0～96％，图4为A，B两点间的PWM波形(占空比为96％)，uo为PWM模块输出信号，uPWM为经驱动电路后用于驱动MOSFET的PWM信号。

利用IR2110搭建传统Buck驱动电路，如图5所示。该驱动电路是用VD3和R2实现将C1的负极接地，从而完成VQ1关断期间对C1的充电。由于C2及容性负载(如蓄电池)的两端有电压U2，使B点出现对地大小为U2的电势，导致C1两端电压近似为零而无法给C1充电，故需在B点至C2及容性负载正极之间加一个VD3，使得在VQ3关断期间，将B点与C2及容性负载正极之间断开，再通过R2与地等电势，间接地将C1负极接地，实现对C1充电。

比较图3，5可知，图5中主电路上多R2和VD3，假设Buck后端负载电压U1=14 V，负载电流I=5 A，前端电压U2≈U1／D，D为占空比，VD3导通电压Uf=1 V，那么消耗在R2和VD3的能量为：

新驱动电路中，多出的两个MOSFET会增加能耗，其能耗分为两部分：①给栅源极电容充放电消耗的能量为：P2_1=2QgUgsf，Qg为VQ2或VQ3的总栅极电荷，Ugs为VQ2或VQ3栅源端电压，f为VQ2，VQ3开关频率。这里VQ1选用L2203N，VQ2，VQ3均选用IRF640。从IRF640 Datasheet中可查得Qg=72 nC，且选择Ugs=12 V，f=30 kHz，故P2_1=0．025 92W。
②漏源极之间的导通与关断消耗的能量。由于VQ2的通断是为C1充放电(而C1为VQ1栅源电容充放电)，VQ3的通断是为VQ1栅源电容充放电，从L2203N Datasheet中可查得VQ1的总栅极电荷Q1g=60 nC，C1在一个周期中因给VQ1栅源电容充电而导致C1的电压下降△u1=Q1g／C1=6 mV，可见C1两端电压变化很小，所以VQ2通断前后，VQ2漏源极两端电压很小(为毫伏级)，可视作ZVS软开关，那么VQ2通断造成的能量损耗几乎能忽略不计。而VQ3关断时，VQ1先关断，VQ1的栅源极电势相等，而VQ1的栅极、源极分别跟VQ3的漏极、源极等电势，那么VQ3的漏源极两端电压也近似为零，可见，VQ3关断时也可视为ZVS软开关，所以VQ3的关断造成的能量也可忽略不计；VQ3导通时，栅极电压变化过程如图6所示。

图中，Uth为开启阈值电压，Ugp为米勒平台电压，Ucc为MOSFET稳定导通后栅源极两端电压。对于VQ1，VQ3，通过查阅相关数据求取t1，t2：

当VQ3栅源电压上升到Uth后，即VQ3开始导通后，VQ1栅源电压才从零开始上升，从上述计算数据可见，t2_VQ3-t1_VQ3≈t1_VQ1。可知，VQ3栅源电压上升到Ugp后，VQ1栅源电压还未上升到Uth，VQ3栅源极电压上升到Ugp后，VQ3几乎完全导通，C1两端电压几乎全加在VQ1的栅源极两端，使VQ3两端电压接近零，故VQ3开通过程消耗的能量主要集中在t1～t2这段时间内。为简化计算，可求取最大能量损耗，假设在t1～t2时段内，VQ1栅源两端电压Ugs_VQ1为零，那么VQ3开通过程消耗的能量为：

从t1～t2这段时间内，查表可得在漏源电压为25V测试条件下，由于VQ3跨导为：

由式(4)变形得Ids=11Ugs-33，则VQ3漏源极导通电阻R=25／(11Ugs-33)，而Ugs可写成时间函数：

故传统驱动电路比此处提出的驱动电路多消耗的能量△P=P1-(P2_1+P2_2)=5．067 08 W，故新Buck驱动电路比传统Buck驱动电路提高的效率η1=△P／(IU2)=7．239％，可见对于中小功率的Buck电路，这里提出的MOSFET驱动电路极大地提高了能量转换效率。

4 新MPPT算法硬件实现
这里选择的硬件主电路是Buck电路，控制芯片采用PIC16F877A，A／D模块及PWM模块是PIC16F877A内部集成的。为了降低成本，电流检测模块选用高边电流检测芯片MAX4072搭建。主MOSFET采用L2203N。驱动电路是利用IR2110芯片搭建的高边NMOSFET单管驱动电路。整个系统的原理图如图7所示。

硬件电路工作的基本原理是将电流、电压信号经单片机PIC16F877A自带的A／D模块转换成相应的数字信号，经过相应的程序处理后，计算出PWM波的占空比，经单片机自带的PWM模块输出控制MOSFET的PWM信号，实现控制Buck电路前端的电压从而实现MPPT算法。

5 实验结果
①加MPPT控制器组建的光伏系统，如图8a所示，开始运行调试器后，用示波器测试光伏电池阵列两端电压波形，即得MPPT控制器跟踪光伏阵列输出电压曲线，如图9所示：②测量在光伏电池与蓄电池之间加入这里的太阳能控制器后组成的光伏系统见图8a，蓄电池端充电功率P和不加控制器的光伏系统，即直接将光伏电池与蓄电池组成的光伏系统，见图8b，设给蓄电池充电的功率为P’，比较加入控制器后蓄电池充电功率的提升效率：

加入MPPT控制器后，蓄电池充电电流明显增加，与不加MPPT控制器相比，提升效率η2大致在8．8％。此外，与第3节中的η1=7．239％比较，进一步证明了新提出的MO