王振豐 楊成錄 徐苴邴 姚周鋒

摘要：隨著塞貝克、湯姆遜、伯耳帖等熱電效應(yīng)運用領(lǐng)域的拓展，半導(dǎo)體材料及其加工技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)化效率逐漸提高，半導(dǎo)體溫差發(fā)電在小型智能家居有了應(yīng)用的可能。資料表明：半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的熱電效率可以達(dá)到15%左右。因此，僅僅是通過熱電材料的更新?lián)Q代來提高溫差發(fā)電效率還是不夠完善的，本文設(shè)計了一種利用脈寬調(diào)制技術(shù)提高發(fā)電效率的方法，通過在電壓輸出時對其進(jìn)行可控調(diào)制，以達(dá)到提高溫差發(fā)電過程的效率，具有一定的實用性和推廣價值。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電;脈寬調(diào)制技術(shù);可控

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-9129（2019）13-0026-01

Abstract：with the expansion of the application of seebeck， Thomson， Bertie and other thermoelectric effect， the development of semiconductor materials and processing technology， semiconductor thermoelectric conversion efficiency has gradually improved， semiconductor thermoelectric power generation in small smart home applications. The data show that the thermoelectric efficiency of semiconductor thermoelectric materials can reach about 15%. Therefore， only by upgrading of thermoelectric materials to improve the efficiency of thermoelectric power generation is not perfect， this paper designed a kind of electricity generation by using pulse width modulation technology to improve the efficiency of the method， through to the output of the voltage controlled modulation， so as to improve the efficiency of the thermoelectric power generation process and has certain practicability and popularization value.

Key words：thermal power generation; Pulse width modulation technology; controllable

現(xiàn)階段國內(nèi)外直流穩(wěn)壓控制方式有發(fā)電裝置輸出電壓外部調(diào)節(jié)和內(nèi)部調(diào)節(jié)兩類。由于發(fā)電裝置內(nèi)部溫差不易調(diào)節(jié)，本設(shè)計采用直接對半導(dǎo)體發(fā)電裝置輸出電壓外調(diào)節(jié)控制，常用的調(diào)節(jié)方法有：數(shù)字電壓調(diào)節(jié)法、能耗分流法以及電容補償法等。

1 數(shù)字電壓調(diào)節(jié)法

其工作原理是將接收來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，把修改、刪除、強(qiáng)化后的信號再轉(zhuǎn)回實際環(huán)境格式。數(shù)字信號處理系統(tǒng)集計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)及電子技術(shù)于一體，該數(shù)字電路中沒有電子元件物理特性、溫度、機(jī)械振動等帶來的誤差影響，且處理信號的速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)[1]。但該系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，可靠性能無法得到保障，不僅需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限。如圖1-1所示。

2 能耗分流穩(wěn)壓法

直流電源為蓄電池及負(fù)載充電，當(dāng)負(fù)載端電壓處于預(yù)先設(shè)定的電壓值時，可控硅因得到觸發(fā)電路的觸發(fā)信號而導(dǎo)通，蓄電池和負(fù)載避免了過充電，但因能耗多、效率低且發(fā)熱明顯而即將淘汰，對此后續(xù)有人進(jìn)行優(yōu)化而設(shè)計出的并聯(lián)式電子調(diào)節(jié)器則是通過可控硅的通斷來實現(xiàn)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)功能。通過這種能耗分流穩(wěn)壓方法可以將電路中的多余能量消耗掉，但由于受到元件散熱能力的限制而在小功率發(fā)電系統(tǒng)中更為常用。

3 電容補償穩(wěn)壓法

電路電容的作用是使輸出的電壓為穩(wěn)定的直流電壓，當(dāng)直流電壓低于電容電壓時電容就會放電進(jìn)行補償，當(dāng)直流電壓高于電容電壓時電容就會充電，周而復(fù)始，通過放電和充電的反復(fù)來保持輸出電壓的穩(wěn)定性。電容補償方法的優(yōu)點是電路較為簡單，通過電容補償穩(wěn)定電壓的方法來調(diào)節(jié)電壓到基準(zhǔn)值，但是逐級調(diào)節(jié)的精度較低且不平滑，穩(wěn)壓效果較差。

4 PWM脈寬調(diào)制穩(wěn)壓法

半導(dǎo)體的溫差發(fā)電的開關(guān)穩(wěn)壓電源集成控制器大多為它激型，控制電路有脈頻調(diào)制控制、脈寬調(diào)制控制、脈寬脈頻混合調(diào)制控制三種。脈沖寬度調(diào)制是在工作頻率恒定的情況下通過對控制電路的輸出電壓進(jìn)行反饋改變導(dǎo)通時間來改變占空比。這種控制方式主要是運用微處理器的數(shù)字輸出來控制模擬電路，使用較為方便靈活[2]。區(qū)別于并聯(lián)式電路的瞬時短路實現(xiàn)穩(wěn)壓的方式，該電路通過相應(yīng)工況時的通斷時間來改變開關(guān)管占空比實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，所以功耗更低，且其升降雙向穩(wěn)壓功能更能保證輸出穩(wěn)定電壓。其控制方式電路方框圖如圖4-1所示。

雖然溫差發(fā)電可以使用多種穩(wěn)壓技術(shù)來實現(xiàn)，但固有頻率的調(diào)寬控制技術(shù)是比較成熟的，且其穩(wěn)壓能力對轉(zhuǎn)速、負(fù)載等與運行工況有關(guān)的參數(shù)依賴性小，具有較高精度和較高效率，在開關(guān)管導(dǎo)通和截止時功耗較小，而功耗減小，散熱器也隨之減小，效率可高達(dá)65%～85%，有利于溫差發(fā)電裝置的推廣，再加上其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)型、適用性，故成為本設(shè)計的首選。

5 基于脈寬調(diào)制的TL494芯片功能及特點

TL494系列是一種開關(guān)PWM型電源集成控制器，屬固定頻率電壓控制型PWM控制器，所謂電壓控制型脈寬調(diào)制器是按照反饋電壓來調(diào)節(jié)脈沖寬度的，其具有以下特點：1.單端輸出工作電路;2.內(nèi)置線性振蕩器，外置電容電阻振蕩元件;3.片內(nèi)5V參考基準(zhǔn)電壓源;4.驅(qū)動輸出級功率晶體管電流達(dá)500mA;5.死區(qū)時間可調(diào);6.具有欠電壓封鎖功能;7.芯片內(nèi)置兩個誤差放大器：8.輸出電壓不大于41V：9.集成完整的PWM控制電路。

6 脈寬調(diào)制穩(wěn)壓控制電路工作原理

6.1當(dāng)檢測電壓比基準(zhǔn)電壓低時，誤差放大器的同相輸入端引腳1的電壓低于誤差放大器的反相輸入端引腳2的電壓，PWM信號的脈沖較窄，則該芯片的末級輸出晶體管1和末級輸出晶體管2的導(dǎo)通時間較短，從而引腳8和11為低電平的時間較長，觸發(fā)電路的導(dǎo)通時間較長，所以功率晶體管的開通時間較長，導(dǎo)致輸出電壓升高。如圖6-1所示。

6.2當(dāng)檢測電壓比基準(zhǔn)電壓高時，誤差放大器的反相輸入端引腳2的電壓低于誤差放大器的同相輸入端引腳1的電壓，PWM信號的脈沖變寬，則該芯片的末級輸出晶體管1和末級輸出品體管2的導(dǎo)通時間變短，從而引腳8和11為低電平的時間變短，觸發(fā)電路的導(dǎo)通時間就變短，所以功率晶體管的開通時間就變短，導(dǎo)致電路輸出降低。如此循環(huán)工作，使之穩(wěn)定在期望的電壓范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周子鵬.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[D].河北工業(yè)大學(xué)，2008（3）.

（指導(dǎo)老師：祝月紅）