专利名称：太阳能电池模块的具有电流旁路的保护电路的制作方法
太阳能电池模块的具有电流旁路的保护电路
本发明涉及一种保护电路，用于电连接到太阳能电池模块的太 阳能电池上，具有一个保护设备，该保护设备在被遮蔽的太阳能电 池的情况下作为该被遮蔽的太阳能电池的电流旁路起作用。
用于电连接到太阳能电池模块的太阳能电池上的这种保护电 路，从实践中以多种多样的扩展方案被众所周知。这种电路部分地 也称作为太阳能电池的连接电路。
一般将多个太阳能电池联接成太阳能电池模块。为此，在太阳 能电池模块中要么存在太阳能电池的串联电路的可能性，要么存在 并联电路的可能性。通过太阳能电池的并联，太阳能电池的各个电 流相加成一个总电流。当然，并联的太阳能电池在此基本上应具有 相同的物理特性，使得太阳能电池的并联在实践中几乎没有得到贯 彻，尤其是也因为一个单个的太阳能电池已经可以提供若干安培的 电流，并且单个太阳能电池的输出电压典型地太小，以致于不能运 行像家用电器那样的电气设备。
因此在由单个太阳能电池组合太阳能电池模块时，常常串联这 些太阳能电池。但是如果太阳能电池模块在运行中部分地被遮蔽、 即太阳能电池模块的一个太阳能电池或多个太阳能电池较少地或甚 至没有得到太阳辐射，则在此可能产生问题。这种减少的太阳辐射 的原因例如可能在于太阳能电池的污染和/或树木、建筑物设施或建 筑物本身的阴影投放。
与均匀地在其整个面积上对太阳能电池模块的遮蔽相反，其中 所述遮蔽总的来说仅导致功率减小，在部分遮蔽的情况下产生以下
问题共同的电流流过太阳能电池模块的串联的太阳能电池，其中 每个单个太阳能电池以其相应的电压对太阳能电池模块的总电压作 出贡献。如果现在太阳能电池被遮蔽，则该太阳能电池不再生成电 压，并且实际上以二极管处于截止方向来对抗太阳能电池模块中的 电流流通。但是这意味着，整个太阳能电池模块不再能够提供电流， 以致于影响到太阳能电池模块的整个功能。
此外适用的是，在被遮蔽的太阳能电池上施加与被遮蔽的太阳
能电池在串联电路中的位置有关的电压。如果施加在被遮蔽的太阳能电池上的所述电压大于其截止电压(Sperrspannng )，则在太阳能 电池中导致击穿并因此导致持久的损坏。即使如果通过击穿不导致太阳能电池的损坏，在被遮蔽的太阳 能电池中大的损耗功率被转换，使得被遮蔽的太阳能电池生热。这 种生热也可能导致对被遮蔽的太阳能电池以及对其相邻的太阳能电 池的损坏。为了避免与部分被遮蔽的太阳能电池相关联的问题，采用与太 阳能电池反并联的保护设备、 一般也就是旁路二极管。以此方式实 现，被遮蔽的太阳能电池虽然不再对太阳能电池模块的总电压提供 分量，但是仍然维持电流流通。太阳能电池模块因此展示出仅仅减 小的工作电压，但是不完全失效。此外，在被遮蔽的太阳能电池中 不再转换功率，使得可以避免对被遮蔽的太阳能电池的损坏。原则上可以给太阳能电池模块的每一个太阳能电池分配恰好一 个旁路二极管。但是常常如此来进行，使得分别由一个共同的旁路 二极管来保护多个相继连接的太阳能电池、也就是所谓的太阳能电 池串。因此，用于电连接到太阳能电池模块的太阳能电池上的保护电 路一般具有至少一个旁路二极管，常常具有多个旁路二极管。但是 与此相关联的问题是，通过在旁路二极管中所转换的功率大大使得 用于电连接太阳能电池模块的太阳能电池的保护电路变热，这在不 同的方面是不利的。因此本发明的任务是，说明 一种用于电连接到太阳能电池模块 的太阳能电池上的这种保护电路，该保护电路在运行中仅少量发 热。从开始时所述的保护电路出发，通过以下方式解决前述任务， 即保护电路具有受控电子开关装置作为保护设备。因此根据本发明规定，为了避免与部分被遮蔽的太阳能电池相 关联的上述问题，将受控电子开关装置采用为保护设备，使得可以 减少或完全避免旁路二极管的使用。通过由受控电子开关装置代替 旁路二极管，可以如下详述的那样实现开关装置的发热的减少，其 中所述受控电子开关装置在功能上基本上与旁路二极管作用相同。
路二极管的这种在功能上的相同作用。对此，根据本发明的一种优 选的改进方案规定，受控电子开关装置具有控制电路和可由控制电 路控制的开关设备，其中开关设备并联于至少一个太阳能电池、优 选地并联于一串太阳能电池，并且在遮蔽太阳能电池中的一个与该 开关设备并联的太阳能电池的情况下由控制电路至少暂时地被加偏
压(aufsteuern),使得实现用于被遮蔽的太阳能电池的电流旁路。
可以以不同的方式来实现相应的开关设备。然而根据本发明的 一种优选的改进方案规定，开关设备具有两个串联的并且由控制电 路控制的电气或电子的开关元件。根据本发明的一种优选的改进方 案在此尤其规定，设置两个彼此相对极化的晶体管、优选两个 MOSFET作为开关元件。此外适用的是，根据本发明的一种优选的 改进方案规定，通过由太阳能电池模块的未被遮蔽的太阳能电池所 生成的电流来进行对控制电路的电流供应，其中根据本发明的一种 优选的改进方案尤其规定，控制电路配备有存储电容器。
可替代地，根据一种优选的实施形式规定，设置受控电子开关 装置作为保护设备，该受控电子开关装置对于至少一串太阳能电 池，具有至少一个晶体管和至少一个与之并联的DC/DC转换器，该 DC/DC转换器通过储能器与控制电路相连接。在这种构造中特别有 利的是，保护设备具有几个有低空间需求的便宜的MOSFET，因为 借助电压转换器已经从MOSFET的寄生二极管的微小的正向电压中 生成对其控制所需要的电压。
此外，如果通过将保护设备集成到太阳能电池模块的至少两串 太阳能电池中来实现电压转换，则是特别有利的。因此一方面可能 的是，保护设备交替地从存在于MOSFET上的电压中充分地得以供 电，因为存在多个MOSFET。另一方面，在所有属于一个串的太阳 能电池被遮蔽时，可以从MOSFET的寄生二极管的正向电压的总和 中获取足够的电压，以便将该电压用于MOSFET的转换和控制。此 外有利的是，将每保护设备在反向上出现的最大电压限制为硅二极 管的正向电压，这使得在对在运行中剩下的太阳能电池的不充分照 射情况下、例如在漫射光情况下供电完全失效的风险最小。
最后，在太阳能电池模块的太阳能电池用的保护电路的所有上 述扩展方案中，根据本发明的一种优选的改进方案规定，采用一种 过压保护元件用于防止保护电路以及太阳能电池免受例如通过邻近的雷击(Blitzeinschlag )引起的过电压。详细地，现在存在扩展和改进本发明保护电路的多种可能性。 为此参阅从属权利要求以及对本发明优选实施例的以下详细说明。
图1示意性展示了根据本发明的第一优选实施例的保护电路， 图2在细节上展示了来自图1的控制电路的结构， 图3示意性展示了根据第二优选实施例的保护电路， 图4示意性展示了根据第三优选实施例的保护电路， 图5在细节上展示了来自图3或4的DC/DC转换器的结构，和 图6在细节上展示了来自图3或4的控制电路的结构。 图l展示了具有多个串联的串2的太阳能电池1，所述串2在其 侧由多个未再详细示出的、同样串联的太阳能电池所组成。对于太 阳能电池模块1设置三个串2纯粹是示范性的。同样示范性地对于 仅仅一个串2示出了通过根据本发明的一种优选实施例的保护电路 的保护。当然可以为每一个串设置相应的保护。正如以上已经阐述的那样，目标是说明这样一种保护电路，该 保护电路确保，在以其所保护的串被遮蔽的情况下实现该被遮蔽的 串的电流旁路，使得太阳能电池模块1 一方面继续保持运行准备、 即提供电流，而另一方面防止被遮蔽的串2的损坏。保护电路为此 具有受控电子开关装置3，该受控电子开关装置3拥有控制电路4以 及开关设备5。由两个可由控制电路4控制的开关元件、即由两个彼此相对极 化的MOSFET6、 7形成开关设备5。此外，为控制电路4设置存储 电容器8，使得在由保护电路所保护的串2被遮蔽的情况下实现以下 流程在遮蔽了所保护的串2和继续照射太阳能电池模块1的剩余的 串2时，由于上方MOSFET 2的寄生二极管而在下方起截止作用的 MOSFET7上建立一电压。现在如此设计控制电路4，使得该控制电 路通过对至少MOSFET 7部分地加偏压来将该电压限制为约20 V， 从而避免所保护的串2的损坏。在该阶段中，存储电容器8从 MOSFET 7上的电压中以电流受限的方式进行充电。 一旦存储电容
器8充电到约15V,则MOSFET 6、 7净皮完全加偏压，由此施加在 MOSFET 6、 7上的电压崩溃。从开始时的截止电压的出现直至电压 崩溃的该时刻为止仅消逝了几个微秒。
由于控制电路4的自身电流消耗，在存储电容器8上的和在 MOSFET 6、 7的栅极处的电压緩慢下降。 一旦未超过不再确保对 MOSFET 6、7的完全加偏压的电压，则控制电路4至少关断MOSFET 7。于是在MOSFET 7上建立又如上所述的受限制的电压。MOSFET 6、 7的导通阶段持续几十毫秒。由于与导通阶段相比较很短的电压 受限的截止阶段，因此在截止阶段期间在MOSFET 6、 7上的瞬时的 高损耗功率相对于导通损耗几乎不起决定作用，使得获得明显低于 肖特基二极管的损耗的总损耗。
此外如此设计控制电路4，使得在照射以其所保护的串2时不对 该控制电路供电，以致于MOSFET 6、 7截止。因此，除了 MOSFET 6、 7的微小截止电流之外，通过受控电子开关装置3而不出现任何 损耗，使得总损耗在实际上甚至低于肖特基二极管的损耗。除此之 外，在根据本发明的优选实施例的当前所述的保护电路中，重要的 是，在电压受限的截止阶段中受控电开关装置从剩余的、即还受照 射的串2中得以供电，使得不需要外部供电。
为了实现上述的功能性，控制电路4基本上具有由MOSFET 7 的漏极供电的施密特触发器。该施密特触发器负责，只有当在电容 器8上施加有电压时，才对MOSFET6、 7加偏压。从施密特触发器 的滞后和与电容器8的电容相关联的、开关装置3的自身电流消耗 中得出脉冲间歇比(Puls國Pauseen画Verhaitnis )。
控制电路4可以特别简单地例如用电压监控器(Voltage-Supervisor )IC (例如Maxim Integrated Products的MAX6462 )来 实现。在采用这种电压监控器IC时，仅仅需要具有二极管的简单的 附加布线，其中只要还未接通MOSFET,所述二极管就防止电路免 受在所照射的串中有规则极化的工作电压和限制流经该二极管的电 流的电阻的损害。与在控制电路4的输出端处的电阻相连接的二极 管限制MOSFET6、 7上的电压，而电容器8上的电压才建立。
控制电路4因此总体基本上表现为一种比较器电路，该比较器 电路在细节上也可以像从图2中可看出的那样来构造。该电路基本
上是一种具有同样上述附加布线的前述电压监控器ic的分立等效电路。以下说明具有一个或两个DC/DC转换器的本发明第二和第三优 选实施例。正如从图3和4中得出的那样，太阳能电池模块通常具有多个串联的串A、 B..... X,给所述串至少分配开关装置100作为保护设备。在此只明显示出了串A、 B，而只用点表示串X并且应该表明， 原则上可以串联任意多的串。每个串A-X都由多个串联的太阳能电 池l-n所组成。正如尤其是从图3中得出的那样，根据本发明的第二优选实施 例，电路装置对于每一个串A-X具有MOSFET 10和DC/DC转换器 20作为保护设备，该DC/DC转换器通过储能器30与控制电路40相 连接。如所述，MOSFET 10分别并联于串A-X，并且通过其栅极与 控制电路40相连接。将所有串A-X组合成一个太阳能电池模块并且 分配给逆变器UM。正如尤其是从图4中得出的那样，根据本发明的第三优选实施 例，分别将串A-X中的两个、即分别将两个串A和B以及C和D共 同分配给一个保护设备。每一个太阳能电池组A和B或C和D都具 有并联的MOSFET 10。两个MOSFET 10通过其栅极分别与共同的 控制电路40相连接，其中通过给串A-X的每两个所分配的DC/DC 转换器20来实现控制电路40的供电，所述DC/DC转换器20并联 于串A-X的串联电路，其中给DC/DC转换器20中的一个分配储能 器30。因此一方面可能的是，串A-X中的两个用的共同保护设备交 替地从存在于MOSFET 10上的电压中充足地得以供电，因为对每一 个保护设备存在两个MOSFET 10。另一方面，可以在遮蔽了所有属 于一个保护设备的串时从MOSFET 10的寄生二极管的正向电压的 总和中获取足够的电压，以便将该电压用于MOSFET 10的转换和控 制。这里也将所有的串A-X组合成一个太阳能电池模块并且分配给 一个逆变器UM。从图5中现在可以看出，如何可以在细节上构造图3的DC/DC 转换器20。将在串A-X被遮蔽时在MOSFET IO的内部二极管上所 产生的电压转换成适用于控制MOSFET 10的电压的DC/DC转换器
20,应该以低于0.7V的输入电压工作，以便确保旁路功能。例如用 锗晶体管50建立的Meissner振荡器可以用于此目的，该Meissner 振荡器的变换器含有第三绕组。关于Meissner振荡器可以参阅 U.Tietze和Ch.Schenk的教科书"Halbleiter國Schaltungstechnik "(第 9版，第461页及随后页)。经由变换器的第三绕组和单向整流，可 以通过选择变换比来抽取MOSFET 10用的足够大的控制。反并联于 晶体管50的基极发射极段布置的硅二极管60用于防止晶体管50免 受在所照射的串A-X中所产生的反向输入电压。
在最简单的情况下，控制电路40基本上由施密特触发器组成， 该施密特触发器在超过某个阈电压时经由电容器30将该电压施加到 MOSFET 10的栅极上，并且在未超过该阈电压时以由滞后所给定的 值对栅极放电。施密特触发器负责，只有当在电容器30处施加处于 MOSFET 10的阈电压之上的电压时，才对MOSFET 10加偏压。从 施密特触发器的滞后和与电容器30的电容相关联的、整个电路的自 身电流消耗中得出脉冲间歇比。
类似于图1中的以上进一步所述的控制电路4,在本发明的当前 所述的优选实施例中，可以特别简单地用电压监控器IC、例如用已 经说明的Maxim Integrated Products的MAX6462来实现施密特触发 器。此外在此适用的是，正如也适用于本发明的前述优选实施例那 样，尤其是通过采用逻辑电平MOSFET来实现适当的施密特触发器 电路。从图6中现在在细节上可以看出控制电路40的实例，该控制
电路实际上对应于电压监控器IC的分立等效电路。
结果是，通过本发明因此提供了太阳能电池模块的太阳能电池用 的保护电路，所述保护电路可以像具有旁路二极管的保护电路那样 同样亳无问题地被使用，但是具有显著较少的损耗功率，使得可以 保障显著较高的电流。
权利要求
1.保护电路，用于电连接太阳能电池模块(1)的太阳能电池，具有保护设备，所述保护设备在被遮蔽的太阳能电池情况下作为用于被遮蔽的太阳能电池的电流旁路起作用，其特征在于，所述保护电路具有受控电子开关装置(3，100)作为保护设备。
2. 按权利要求1的保护电路，其特征在于，所述受控电子开关装 置(3， 100)具有控制电路(4， 40)、和可由所述控制电路(4， 40) 控制的开关设备(5, 10)，其中所述开关设备(5， 10)与至少一 个太阳能电池并联，并且在该太阳能电池被遮蔽的情况下由所述控 制电路(4， 40)至少暂时地加偏压，使得实现用于被遮蔽的太阳能 电池的电流旁路。
3. 按权利要求2的保护电路，其特征在于，开关设备(5)具有 两个串联的并且由控制电路(4)控制的电气的或电子的开关元件(6， 7)。
4. 按权利要求3的保护电路，其特征在于，设置两个彼此相对极 化的晶体管、优选地MOSFET作为开关元件(6, 7)。
5. 按权利要求2至4之一的保护电路，其特征在于，通过由太阳 能电池模块(1)的未被遮蔽的太阳能电池所生成的电流来实现对所 述控制电路(4)的电流供应。
6. 按权利要求2至5之一的保护电路，其特征在于，为所述控制 电路(4)设置存储电容器(8)。
7. 按权利要求1或2的保护电路，其特征在于，所述保护设备具 有至少一个晶体管(10)和至少一个与之并联的DC/DC转换器(20), 该DC/DC转换器(20 )通过储能器(30 )与控制电路(40 )相连接。
8. 按权利要求7的保护电路，其特征在于，设置MOSFET作为 晶体管(10)。
9. 按权利要求7或8的保护电路，其特征在于，给多个太阳能电 池串(A-X)共同分配一个保护设备，该保护设备具有每串(A-X) 一个并联的晶体管UO)，所述晶体管(10)通过其相应的栅极分 别与控制电路(40)相连接。
10. 按权利要求9的保护电路，其特征在于，每串(A-X)通过 相应的DC/DC转换器(20)来实现对控制电路(40)的供电，其中所述DC/DC转换器(20)并联于串(A-X)的串联电路。
11. 按权利要求10的保护电路，其特征在于，给所述DC/DC转 换器(20)中的至少一个分配储能器(30)。
12. 按权利要7至ll之一的保护电路，其特征在于，电子电路装 置的控制电路(40)具有微控制器。
全文摘要
本发明涉及一种保护电路，用于电连接到太阳能电池模块(1)的太阳能电池(2)上。根据本发明规定，保护电路具有受控电子开关装置(3，100)作为保护设备。以此方式可以实现这样的保护电路用于太阳能电池模块的太阳能电池的电连接，该保护电路在运行中仅少量发热。
文档编号H01L31/042GK101107712SQ200680003235
公开日2008年1月16日 申请日期2006年1月24日 优先权日2005年1月26日
发明者D·奎德特, H·芒丁格, T·格罗森, V·格罗施 申请人:冈瑟斯佩尔斯堡有限责任两合公司;因斯塔电气有限责任公司