小型太阳能光伏电源的串联或并联线性电压调节

文章作者:斯蒂芬·伍德沃德

太阳能光伏阵列似乎每天都在变得更便宜、更高效，使得它们在可再生能源和/或远程供电应用中越来越实用。然而，任何给定阵列产生的电压随着负载、入射光强度和温度的变化而发生显著变化，因此通常需要某种形式的调节。

最大功率点跟踪(MPPT)和开关模式调节可以显著提高阵列性能，如前面的设计思想所示:太阳能阵列控制器不需要倍增器来最大化功率．

但对于小型阵列来说，MPPT和开关模式电路的额外复杂性似乎并不合理，这使得线性调节成为更简单、更好的选择。本设计思想针对这类系统，着重于串联和分流稳压器拓扑结构的相对优势。

让我们从一个假设的小型太阳能阵列开始，优化输出12W(在完全直接阳光下~1kW/m)²)在12V时为1A，光能转换效率为20%，因此标称面积~0.06m²= ~ 100²．然后添加线性调节电路，以保持恒定的12V输出对负载电流从0到1A的变化。

图1说明了一种合适的串联调节器图2是一个可比较的分流拓扑。为了便于比较分流和串联调节的优点，两种调节器采用相同的传感/控制电路，基于古老的LM10组合参考+运放。

图1适用于小型太阳能电池板的串联线性调节器。

图2一种适用于小型太阳能电池板的分流线性调节器。

指的是数字,LM10 200 mv内部参考(销1 + 8)驱动运算放大器反相输入(销2)通过R1 = R2R3 / (R2 + R3)提供输入偏置电流补偿,而非反相输入(销3)连接到输出电压通过60:1 R2, R3分压器(Vsetpoint = 200 mv (R3 / R2 + 1))。因此，运放输出(引脚6)将反转为负

Vout < Vsetpoint，当Vout > Vsetpoint时为阳性。

在图1(串联稳压器)，引脚6通过限流R4连接到D45 PNP通功率晶体管的基极，当Vout < Vsetpoint时增加驱动电流和负载电流，当Vout > Vsetpoint时降低它们。在图2(分流稳压器)，引脚6驱动D44 NPN分流晶体管的基极，当Vout > Vsetpoint时，更多阵列电流到地，当Vout > Vsetpoint时，更少阵列电流到地。

那么，分流式和串联式哪种调节方式更好，什么时候更好，为什么?

为了回答这个一般性问题，我们将考虑三种特定的电路性能类别:

1. 调节效率(在高峰需求时，阵列功率交付给负载的最大比例)
2. 热管理挑战(主要由功率晶体管散热片所需的热容量决定，反过来又由晶体管最大功耗决定)
3. 调节方式对太阳能阵列温度的影响，从而影响阵列转换效率

监管机构效率

当D45通道晶体管处于ON和接近饱和状态时，系列拓扑的全负载(1A)效率受到三个因素的限制:

1. LM10和R2R3分压器电流draw = 312uA(典型值)
2. D45 @Ic = 1A = 10mA(典型值)
3. D45 @Ic的饱和压降= 1A = 100mV(典型值)

将这些损失加起来，估计效率系数为98%。

相比之下，在分流拓扑中，D44功率晶体管在满载时是完全OFF的，阵列和输出之间的连接是直接的，只留下上述三个因素中的一个来竞争输出电流:#1 - 312uA LM10电流。这导致了近乎完美的99.97%的效率。

结论:对于效率，串联是非常好的，但分流(实际)是完美的。注意，这个结果不同于一般的预期，串联调节的效率通常高于分流的。

热管理挑战

D45系列通型晶体管在0.66A负载电流下的最大散热为~1.33W，这可以由一个小的夹式散热片来容纳。相比之下，D44分流晶体管的最大耗散出现在零负载电流下，并且要大得多:~4.5W，需要大量和庞大的挤压接收器来达到可接受的极限温升(~40^oC)在自然对流和辐射条件下。

根据这个标准，系列调节明显优于>3的(凉爽)因子。

调节方式对太阳能阵列温度的影响

太阳能阵列吸收的总太阳能只有两种方式:1。转换成电能输送到连接的电路;或2。阵列散热。热力学第一定律规定后两项之和必须始终完全等于前一项。因此，连接的负载接收的电力越少，阵列必须以热量的形式释放的电力就越多，这必然会增加阵列的温度。

串联调节导致大部分不被负载接受的功率被阵列耗散(记住D45保持的凉爽)，而分流调节在D44晶体管和R4中耗散拒绝的功率。因此，在部分负载时，一个20%效率的分流调节面板比串联调节面板运行温度低10°C。太阳能阵列转换效率随温度升高0.3%至0.4%/°C而下降，因此在某些情况下，分流调节板的效率可能比串联调节板高3%或4%。

按此准则，分流调节明显优于分流调节。

综上所述，我们看到了一个喜忧参半的局面:分流规则是否通过在三个abc中击败两个系列赢得了设计德比?视情况而定。在设计人员选择监管机构类型时，平衡相互冲突的标准将取决于在特定应用程序的详细要求中，不同的优先级相互竞争。这就是我们设计工程师赚大钱的原因!嗯哼。

这篇文章最初发表于经济日报．

斯蒂芬·伍德沃德的关系经济日报美国的DI专栏可以追溯到很久以前。自1974年他的第一篇文章发表以来，总共有64篇文章被接受。