基于新型基板封裝技術的風光互補LED照明控制器設計

1 引言

目前，風光互補系統(tǒng)發(fā)展較快，風光互補控制器種類較多，但真正能很好的達到經(jīng)濟性、可靠性和安全性的系統(tǒng)還不多，其主要的原因之一是沒有一個良好的控制系統(tǒng)。風光互補照明控制器工作在戶外環(huán)境中，是風光互補系統(tǒng)的核心，對控制器的技術要求較高，在滿足使用功能的前提下還要做到控制智能化、可靠化、壽命長、穩(wěn)定性好。

常規(guī)的光伏控制器在蓄電池充滿以后，會啟動開路保護模式，斷開太陽能電池板與蓄電池的充電回路，達到保護蓄電池的作用.但是對風光互補照明系統(tǒng)而言，在蓄電池過充時風機是不能直接進行開路保護，一般都是采用卸荷器對風機進行剎車。

本文通過深入研究風光互補照明系統(tǒng)工程應用存在的問題，結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗，提出了一種基于新型基板封裝的風光互補LED照明控制器設計方法，其采用新穎的電路和特殊的電路封裝方式，很好的解決目前現(xiàn)有風光互補照明系統(tǒng)出現(xiàn)的剎車故障問題，提高了風光互補照明系統(tǒng)的可靠性。

2系統(tǒng)構成

如圖1所示，風光互補照明系統(tǒng)由風力發(fā)電機、太陽能電池板、蓄電池、控制器和卸荷器等五大部分組成。

整個系統(tǒng)中，控制器的功能主要包括蓄電池的充放電管理。LED燈的通斷及全功率/半功率控制、風機的充電及卸荷控制、系統(tǒng)軟硬件方面的保護等。

3 系統(tǒng)設計

3.1控制器原理

風光互補控制器按功能模塊分為控制電路與功率電路，如圖2所示。

控制電路包括單片機、AD轉(zhuǎn)換電路、顯示按鍵電路、10驅(qū)動電路、硬件保護電路和接口電路;功率電路板采集到的蓄電池、太陽能電池板、LED燈的電壓和電流信號通過接口電路送入AD轉(zhuǎn)換電路，AD轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換為單片機能夠識別的信號，送人單片機，由單片機對轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進行處理，然后給出控制指令，發(fā)送給顯示按鍵電路和IO驅(qū)動電路;功率電路包括蓄電池電路、太陽能電池板電路、LED燈電路、風力發(fā)電機電路、卸荷比較電路、風機卸荷電路和接口電路，外部設備蓄電池、太陽能電池板、LED燈分別連接到蓄電池電路、太陽能電池板電路和LED燈電路，經(jīng)風力發(fā)電機電路輸出的電壓信號送入卸荷比較電路，由卸荷比較電路比較，并發(fā)出控制指令至風機卸荷電路。

3.2常規(guī)卸荷控制方法

在風光互補照明系統(tǒng)中，當蓄電池過充或風速過高時需要對風機進行剎車，常用的保護控制方法是經(jīng)過控制器AD轉(zhuǎn)換電路采集風機整理輸出電壓，通過單限比較電路來判斷風機卸荷與否.

如圖3所示，Vcc-Wind.GND-Wind分別為風機整流后的輸出端，LM393D為比較芯片，2腳為比較器輸人參考電壓端。3腳通過分壓電阻R23.R24將風機輸入電壓輸入到3腳、TVS為穩(wěn)壓、防沖擊二極管，CIO為濾波電容.通過比較風機整流后的電壓來產(chǎn)生門控型號Gate Shunt輸出高，低電平來控制是否卸荷。

如圖3所示，單限比較器很靈敏，理想情況下比較器的輸入電壓達到參考電壓時，比較器切換輸出狀態(tài)，但是實際情況下風能隨機性較大，產(chǎn)生的電壓斷斷續(xù)續(xù)，比較器的開關特性為非線性，于是會造成比較器平繁的切換狀態(tài)，抗干擾能力比較差。

這時控制風機卸荷的MOS開關管處于導通與半導通狀態(tài)，MOS容易燒毀，造成控制器的損壞。

3.3新的卸荷控制方法

如圖4所示，根據(jù)圖3中單限比較器抗干擾能力差，我們引人滯回比較電路，通過輸出引腳1反饋到引腳3，電路的輸出特性在兩個閾值區(qū)間，在這個區(qū)間兩個閾值點間進行卸荷功能切換，不會頻繁切換工作狀態(tài)，提高了比較器的穩(wěn)定性，因而也就具有一定的抗干擾能力，其中12V為比較器的供電電壓，RMl為輸出端上拉電阻，R23.R25為分壓電阻，引腳2為參考電壓。

通過長期試驗與工程應用，采用滯回比較電路的卸荷預判系統(tǒng)能夠完善的保護控制器內(nèi)部開關元器件，挺高卸荷性能的穩(wěn)定性，達到實際工程應用的要求。

4基板封裝技術

饋到引腳3，電路的輸出特性在兩個閾值區(qū)間，在這個區(qū)間兩個閾值點間進行卸荷功能切換，不會頻繁切換工作狀態(tài)，提高了比較器的穩(wěn)定性，因而也就具有一定的抗干擾能力，其中12V為比較器的供電電壓，RMl為輸出端上拉電阻，R23.R25為分壓電阻，引腳2為參考電壓。通過長期試驗與工程應用，采用滯回比較電路的卸荷預判系統(tǒng)能夠完善的保護控制器內(nèi)部開關元器件，挺高卸荷性能的穩(wěn)定性，達到實際工程應用的要求。

在風光互補照明系統(tǒng)中，通過太陽能電池板、風力發(fā)電機對蓄電池充電過程中會產(chǎn)生大量的能量轉(zhuǎn)換，其中一部分能量通過熱能消耗掉，這對系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性帶來很大風險，特別是在炎熱的夏天，戶外溫度達到40多少度，當控制器進行電能轉(zhuǎn)換或風機卸荷時會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時的進行散熱，控制器內(nèi)部電子元件會隨溫度的上升而改變特性，導致控制器燒毀。

通過控制器電路設計規(guī)格，自主創(chuàng)新設計成鋁基板封裝電路板，其獨特的金屬鋁板，具有良好的導熱性.電氣絕緣性能和機械加工性能，快速散發(fā)風速很大時控制器功率過大損耗的熱量，可承受大電流和高溫度循環(huán)等沖擊，使風光互補控制器具有高可靠性、低成本、低功耗等特點。

如圖5所示，控制器外部主要由外殼1，鋁基板2和散熱器3組成，鋁基板2位于外殼1底部，散熱器3與鋁基板2緊密貼合在一起。鋁基板2與散熱器3相接觸面涂有導熱硅脂，可承受大電流和高溫沖擊，控制器功率電路直接焊接在鋁基板上，鋁基板與散熱器相連，利于散熱。

通過長期試驗與工程應用，采用鋁基板封裝的風光互補控制器在散熱性能上是一般控制器的10倍，能夠快速散發(fā)熱量，保護控制器。

5 結(jié)論

新型基板封裝的風光互補LED照明控制器通過新型基板封裝技術以及智能卸荷模塊的接入功能，解決了風力發(fā)電機過速造成的損害。這種方案一方面解決了風力發(fā)電機過速制動剎車，快速散熱，另一方面也提高風能，太陽能供電可靠性和電能質(zhì)量。

同時，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的控制，從而達到一定程度的削峰填谷的作用，既緩解了用電矛盾，也改善了電網(wǎng)電源結(jié)構。