专利名称：不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器的制作方法
技术领域：
本发明提出一种具有最大功率限制功能且操作在不连续导通电流模式下的太阳能发电系统转换器，特别是一种动态观测目前太阳能电池最大功率点，同时利用当太阳能电池负载功率大于最大功率时，电压急遽下降的特性，将太阳能电池操作点限制在最大功率点的太阳能发电系统转换器。
背景技术：
本发明是关于限制太阳能电池输出功率在最大功率，且操作在临界导通电流模式的方法及装置，以下将对本发明所需先前技术及专有名词做简单介绍。一、光伏系统转换器一光伏系统转换器(Photovoltaic System Converter)能将电磁能转换为电能以供使用，即俗称的太阳能电池。其工作原理为利用光电效应，将半导体中的电子利用特定波长光子激发进而驱动电路。太阳能电池依成本低高，其能量转换效率从6%到30%不等，市面上最常见的单晶硅和多晶硅太阳能电池的转换效率约在10%到18%之间。二、太阳能电池特性曲线请参考图9，为太阳能电池电压-电流(V-I)特性理论曲线。图中S为照度，指的是光照强度，单位为瓦/平方公尺(W/m2)，IPV、Vpv分别为太阳能电池输出电流、电压。由图 9可知，在不同照度下，太阳能电池的输出电压及对应的输出电流的关系曲线，大致上可被一通过图中的Vf虚线，切割成左半边电流源区及右半边电压源区。太阳能电池的通常操作区域为右半边的电压源区，此时太阳能电池近似一颗稳定电压直流电池。此外，在同一照度下，若太阳能电池负载功率需求增加，太阳能电池的输出电流也将对应提升；此时一旦电流高过Vf虚线与该照度V-I曲线交会处(即负载功率超过太阳能电池最大功率)，则太阳能电池的输出电压将锐减使其操作在电流源区。请参考图10，为太阳能电池电压-电功率 (V-P)特性理论曲线，图中Ppv为太阳能电池输出功率。由图10可知，太阳能电池在不同照度下皆有不同最大功率点(不同照度下的V-P曲线上P的最大值)，此时相对应的最大功率点电压值(Vpv)及电流值(IPV = PpV/VpV)各不相同，由图可知，影响太阳能电池最大功率点的因素中，照度是很重要的一个。三、太阳能电池温度补偿请参考图11，为太阳能电池在不同温度1\、1~2下的电流-电压(I-V)特性曲线(T1 =298K、T2 = 338K，K为开氏温标，相当于摄氏温标加上273，上述及338K即为摄氏 25°C及65°C)。图中可分为四条曲线，即右上半部及左下半部各两条曲线，分别对应到的是最大照度及最小照度下太阳能电池(于不同温度下)的电流-电压(I-V)特性曲线，所谓最大照度指的是太阳能电池可能遇到的最大照度，通常为1000W/m2，最小照度指的是太阳能电池盒装标示上可容许的最小照度。如图所示，于四条特性曲线上各有一黑点，其对应到该条曲线的最大功率点(即该条曲线下功率⑵=电压(V)乘以电流⑴的最大值)。我们注意到，影响最大功率点的因素除了照度外，温度也是一项重要的变数，在不同温度下其对应到的「最小照度下的最大功率输出电压Vmpp min」也各不相同，因此若要估计目前太阳能电池最大功率点，我们有必要动态观察目前太阳能电池的温度资讯。四、不连续导通电流模式依据电感电流的方向，导通电流模式可分为以下两种，其定义分别为1.连续导通模式(CCM)电感电流的最低点高于OA;2.不连续导通模式(DCM)电感电流最低点等于OA;而其中不连续导通模式(DCM)可分为临界导通模式(BCM)及完全不连续导通模式 (FDCM)，其定义分别为2. 1临界导通模式(BCM)电感电流降至最低点(OA)的瞬间即会往上升；2.2完全不连续导通模式(FDCM)电感电流到达最低点(OA)后可能待在最低点一段时间，之后才往上升。五、太阳能电池最大功率追踪器(Maximum Power Point Tracker,MPPT)为一种限制太阳能电池操作在最大功率点的逻辑电路，其能观测太阳能电池目前状态并随之调节其输出功率使之维持在最大输出功率附近。目前市面上已有不少的太阳能电池最大功率追踪器(MPPT)，诸如中国台湾专利公告第1328730号专利，为一种太阳能发电系统的最大功率追踪方法及装置，包括将一直流/直流电压转换器(DC/DC converter)连接至一太阳能电池组， 一控制器包含一最大功率追踪电路，控制该直流/直流电压转换器操作成一具有主动式电阻特性的电能转换器。该控制器持续观察目前太阳能电池输出功率的变化量，使该直流/ 直流电压转换器的电阻特性往相反方向变化。使该太阳能电池组输出功率维持在最大输出功率附近。日本专利公开第JP2004M0552A号专利，为一种太阳能发电系统的最大功率追踪方法及装置，包括一连接于太阳能电池组及一电池(battery)的开关(switch)，在该开关启动或切断的瞬间，会有最大电能产生。此外，该专利利用降压型(st印-down type)最大功率追踪方法(MPPT)，藉以控制太阳能电池的输出电压，使其高于该电池的电压(此关系即使光照强度减少仍然满足)。但现有的MPPT逻辑电路多为利用数字电路设计完成，常需搭配模拟数字转换器 (ADC)、数字模拟转换器(DAC)及侦测电流用的霍尔元件等等，导致整体电路复杂且成本上升。此外，由于现有技术缺少最大功率限制的功能，一旦转换器输出过载(输出功率需求超过最大功率)即会发生上述第三项「太阳能电池补偿」中太阳能电池电压锐减的情形。因此如何提高MPPT的电路效率及降低其复杂度，同时防止转换器输出过载，使MPPT芯片能降低成本、增加可靠度进而走向商品化，就成了相关研究人员及开发厂商共同努力的目标。
发明内容
本发明人有鉴于传统MPPT逻辑电路缺少最大功率限制的功能，且多利用数字电路设计完成所造成电路复杂、成本上升的缺点，目的在于进而设计出一种运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换，其具有最大功率限制的功能，且是模拟MPPT逻辑电路，成本低。本发明的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器，与一曝晒于光照下的太阳能电池做连接，其包含一直流/直流电压转换器，连接于该太阳能电池，具有至少一输入端及一输出端， 用以提供后级电路一稳定电压；一最大功率控制电路，用以控制该直流/直流电压转换器，使该太阳能电池输出功率限制于最大，其包含一温度补偿反馈电路，连接于该直流/直流电压转换器的输入端，用以反馈该太阳能电池的温度补偿信号；一输出电压反馈电路，连接于该直流/直流电压转换器的输出端，用以反馈该直流/直流电压转换器目前输出电压信号；—电流侦测电路，连接于该直流/直流电压转换器，用以侦测该直流/直流电压转换器内部电流；一主要控制电路，用以根据该温度补偿反馈电路、该输出电压反馈电路、该电流侦测电路所输出的信号，输出一控制信号控制该直流/直流电压转换器，使与其连接的该太阳能电池输出功率限制在最大功率。本发明的有益效果在于，藉由太阳能电池的操作点越过最大功率点时，电压急剧下降的特性，动态观察太阳能电池输出电压、太阳能电池温度资讯、转换器输出电压，利用一经负回馈控制的脉冲宽度调变产生器，控制连接于该太阳能电池的电压转换器，将太阳能电池的操作点限制于最大功率点，此功能可增加太阳能电池能量转换效率，进而防止太阳能电池输出过载的问题。此外，本发明为一模拟型电路，与传统市面上数字芯片控制太阳能电池最大功率追踪相较下，具有架构简单、成本较低的优点，且转换器运转在不连续导通电流模式，可降低主开关切换损失，增加整体电流效率，以达节能的效果。
图1是本发明的最简略方块图。图2是本发明的直流/直流电压转换器的实施方式电路图。图3是本发明的电路方块图。图4是本发明的温度补偿反馈电路的实施方式电路图。图5是本发明的输出电压反馈电路的实施方式电路图。图6是本发明的电流侦测电路的实施方式电路图。图7是本发明的主要控制电路的电路方块图。图8是本发明的最佳实施例电路图。图9是本发明的太阳能电池电压-电流(V-I)特性理论曲线图。图10是本发明的太阳能电池电压-电功率(V-P)特性理论曲线图。图11是本发明的太阳能电池在不同温度下的电压-电流(V-I)特性曲线图。主要元件符号说明0太阳能电池1直流/直流电压转换器11输入端12输出端
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13主电感14开关电路141、142、143、144 第一、二、三、四端145主开关146 电阻15 二极管16主电容2最大功率控制电路21温度补偿反馈电路211温度侦测器212主要温度补偿电路213分压器214、215 第一、二减法器22输出电压反馈电路221分压器222积分器2221 电阻2222 电容2223运算放大器23电流侦测电路231、232、233、234 第一、二、三、四端235耦合电感M主要控制电路241乘法器242比较器243零电流侦测电路244脉冲宽度调变产生器
具体实施例方式为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的，兹配合图式将本发明的较佳实施例详细说明如下。本发明是一种具有最大功率限制功能且操作在不连续导通电流模式下的太阳能发电系统转换器，请参考图1，为本发明最简略的方块图，本发明与一曝晒于光照下的太阳能电池0相连接，其具有—直流/直流电压转换器1，用以输入一未调节太阳能电池0的输入电压Vpv，输出一稳定调节电压V。于后级电路；一最大功率控制电路2，用以控制该直流/直流电压转换器1将该太阳能电池0的操作功率限制于最大功率。图中Vpv及V0分别为该太阳能电池0及该直流/直流电压转换器1的输出电压，R。为后及电路的阻抗。请参考图2，为该直流/直流电压转换器1 一可能的实施方式的电路图，具有一输入端11及一输出端12;一主电感13，其一端连接于该输入端11 ；一开关电路14，具有至少四端，为第一、二、三、四端141、142、143、144，该第二端142接地，第三端143 输入一控制电压信号d，用以断开(Open)或导通(Close)该开关电路；一二极管15，其阳极端连接于该主电感13，其阴极端连接于该输出端12 ；一主电容16，其一端连接于该输出端12，其另一端接地；其中，该直流/直流电压转换器1的开关电路14其可能的实施方式为包含一主开关145，利用一加强式N型场效应晶体管(enhancement N-typeMOSFET， NM0S)实施，其漏极(Drain)即为该开关电路14的第一端141，其栅极(Gate)即为该开关电路14的第三端143，其源极(Source)即为该开关电路14的第四端144 ；一电阻146，其两端分别为该开关电路14的第二端142及第四端144。请参考图3，为本发明的电路方块图，由图3所示，于图1中的该最大功率控制电路 2其可能实施方式为包含一温度补偿反馈电路21 ；一输出电压反馈电路22 ；一电流侦测电路23;一主要控制电路M ；请参考图4，为该温度补偿反馈电路21—可能的实施方式的电路图，用以输出一温度补偿电压Vd，其具有一组温度侦测器211，用以侦测该太阳能电池温度；一主要温度补偿电路212，用以输出一适当温度补偿信号；一分压器 213;二减法器，为第一、二减法器214、215，分别具有一正输入端、一负输入端及一输出端，用以输出一电压，其值等于该正输入端电压值减该负输入端电压值；其中，该温度补偿反馈电路21其元件的连接方式为该主要温度补偿电路212连接于该温度侦测器211及该第一减法器214的负输入端；该第一减法器214其正输入端输入一参考电压Vkefi ；该分压器213连接于图2中该直流/直流电压转换器1的输入端11及该第二减法器215的正输入端，其可能实施方式为包含二串联的电阻，其两端分别连接于该分压器213输入端及接地，两电阻连接处为该分压器213输出端；该第二减法器215的负输入端连接于该第一减法器214的输出端，该第二减法器 215的输出端即为图3中该温度补偿反馈电路21的输出端。请参考图5，为该输出电压反馈电路22 —可能的实施方式的电路图，其包含一分压器221图5中Kv2，其可能实施方式与图4中该温度补偿反馈电路21的分压器213的实施方式相同，包含二串联的电阻2211、2212，其两端分别连接于该分压器221 的输入端及接地，两电阻连接处为该分压器221的输出端；一积分器In222图5中In，其包含一电阻2221，连接于该分压器221的输出端；一电容2222，连接于该电阻2221的另一端；一运算放大器(operational amplifier, op amp) 2223，具有—正输入端，输入一参考电压Vkef2 ；一负输入端，连接于该电阻2221及该电容2222的连接处；一输出端，为该积分器222输出端，输出反馈电压I，其值为该运算放大器2223的正、负输入端电压的差值放大某个倍率后随时间的积分值；请参考图6，为该电流侦测电路23 —可能的实施方式的电路图，图中同时显示图2 中该直流/直流电压转换器1的实施方式的电路图，该电流侦测电路23具有四个端，为第一、二、三、四端231、232、233、234，该第三端233直接连接于该第四端234，该第二端232接地，该第四端234连接于该直流/直流电压转换器1的开关电路14 的第四端144;一耦合电感235，与该直流/直流电压转换器1的主电感13耦合，其两端分别为该电流侦测电路23的第二端232及第一端231。请参考图7，为该主要控制电路M—可能的实施方式的电路方块图，具有一乘法器Ml，具有二输入端，分别连接至图4中该温度补偿反馈电路21的输出端及图5中该输出电压反馈电路22的运算放大器2223的输出端；一输出端，用以输出一电压其值等于该二输入端输入电压的相乘积；一比较器242，具有二输入端，为正、负输入端，该负输入端连接至该乘法器Ml的输出端，该正输入端连接至图6中该电流侦测电路23的第三端233 ；一输出端，判断该正输入端的电压减去该负输入端的电压的差值，该差值为正则输出电路最高电位，反之则接地；一零电流侦测电路对3，连接至该电流侦测电路23的第一端231 ；一脉冲宽度调变产生器(Pulse Width Modulation, PWM)244，具有二输入端，分别连接至该零电流侦测电路243及该比较器242的输出端；一输出端，用以产生一脉冲宽度调变信号d，连接至图2中该直流/直流电压转换器1的开关电路14的第三端143。请参考图8，为本发明一最佳实施例的电路图，本发明的运作原理为利用该温度补偿反馈电路21及该输出电压反馈电路22侦测该太阳能电池0的最大功率点以及该电流侦测电路23侦测该直流/直流电压转换器1的内部电流，倘若过载导致该太阳能电池0的输出电压急速下降，本发明利用该主要控制电路M产生的脉冲宽度调变信号d控制该直流/直流电压转换器1运作于不连续导通电流模式，可限制该太阳能电池0的输出电流持续增加，使其操作点被限制于最大功率点，以达到最大功率限制的效果。本发明的关键优势在于
具有太阳能电池最大功率限制的功能，能将该太阳能电池随时运作在最高功率输出，进而提升其能量转换效率至最高，故可防止该直流/直流电压转换器1的输出过载的情形；再者，本发明操作于不连续导通电流模式下，能降低该直流/直流电压转换器1的开关切换损失，提高整体电路效率；最后，本发明为一模拟电路，由于不需要加装一般数字电路所需的模拟数字、数字模拟转换器(ADC、DAC)、侦测电流用的霍尔元件等，因此具有成本低廉、体积降低等优势。此三关键优势充分反映了本发明的进步性及产业利用性，因此爰依法提出申请。 谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。
权利要求
1.一种运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器，其特征在于，与一曝晒于光照下的太阳能电池做连接，其包含一直流/直流电压转换器，连接于该太阳能电池，具有至少一输入端及一输出端，用以提供后级电路一稳定电压；一最大功率控制电路，用以控制该直流/直流电压转换器，使该太阳能电池输出功率限制于最大，其包含一温度补偿反馈电路，连接于该直流/直流电压转换器的输入端，用以反馈该太阳能电池的温度补偿信号；一输出电压反馈电路，连接于该直流/直流电压转换器的输出端，用以反馈该直流/直流电压转换器目前输出电压信号；一电流侦测电路，连接于该直流/直流电压转换器，用以侦测该直流/直流电压转换器内部电流；一主要控制电路，用以根据该温度补偿反馈电路、该输出电压反馈电路、该电流侦测电路所输出的信号，输出一控制信号控制该直流/直流电压转换器，使与其连接的该太阳能电池输出功率限制在最大功率。
2.如权利要求1所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器， 其特征在于，其中该主要控制电路更包含一乘法器，具有一输出端及至少二输入端，该二输入端分别连接于该温度补偿电路及该输出电压反馈电路，用以输出该二输入端输入电压信号的乘积；一比较器，具有一输出端及至少二输入端，为正、负输入端，该负输入端连接于该乘法器的输出端，该正输入端连接于该电流侦测电路；一零电流侦测电路，具有至少一输入端及一输出端，其输入端连接于该电流侦测电路；一脉冲宽度调变产生器，具有一输出端及至少二输入端，其二输入端分别连接于该零电流侦测电路的输出端及该比较器的输出端，其输出端连接于该直流/直流电压转换器， 用以制造一脉冲宽度调变信号以控制该直流/直流电压转换器。
3.如权利要求2所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器， 其特征在于，其中该直流/直流电压转换器更包含一主电感，连接于该直流/直流电压转换器输入端； 一整流器，其阳极端连接至该主电感的另一端； 一主电容，两端分别连接至该整流器的阴极端及接地；一开关电路，具有四端，分别连接于该主要控制电路的输出端、该直流/直流电压转换器的整流器阳极端、该电流侦测电路及接地。
4.如权利要求3所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器， 其特征在于，其中该开关电路更包含一主开关，为一加强式N型场效应晶体管，其漏极连接于该直流/直流电压转换器的整流器阳极，其栅极连接于该脉冲宽度调变产生器的输出端，其源极连接于该电流侦测电路；一电阻，其两端分别连接于该N型场效应晶体管的源极及接地。
5.如权利要求1所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器， 其特征在于，其中该温度补偿电路更包含至少一温度侦测器，用于侦测该太阳能电池温度； 一主要温度补偿电路，连接于该温度侦测器； 一分压器，连接于该直流/直流电压转换器的输入端；至少二减法器，是为第一、二减法器，具有至少二输入端，为正、负端，用以输出一电压， 其值等于该正端输入电压减去该负端输入电压，该第一减法器其正端连接于一参考电压， 其负端连接于该主要温度补偿电路的输出端，该第二减法器的正端连接于该分压器输出端，其负端连接于该第一减法器输出端。
6.如权利要求1所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器， 其特征在于，其中该输出电压反馈电路更包含一分压器，连接于该直流/直流电压转换器的输出端，用以输出； 一积分器，具有二输入端，为第一、二输入端，该第一输入端连接于该分压器输出端，该第二输入端输入一参考电压，用以输出该第一、二输入端电压差值放大某倍率后随时间的积分值。
7.如权利要求6所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器， 其特征在于，其中积分器更包含一电阻，连接于该分压器的输出端；一电容，连接于该电阻的另一端；一运算放大器，具有一正输入端，输入一参考电压；一负输入端，连接于该电阻及该电容的连接处。
8.如权利要求5或6所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器，其特征在于，其中分压器更包含二串联电阻，连接于该分压器输入端及接地，两电阻串联连接处为该分压器的输出端。
9.如权利要求3所述的运作于不连续导通电流模式的最大功率限制光伏系统转换器， 其特征在于，其中该电流侦测电路更包含四端，为第一、二、三、四端，其第二端接地，其第三端直接连接于第四端； 一耦合电感，与该直流/直流电压转换器的主电感做耦合，其两端分别为该第一端及该第二端。
全文摘要
一种不连续导通电流模式的最大功率限制功能光伏系统转换器，用以将一曝晒于光照下的太阳能电池输出功率限制在最大功率，其包含一直流/直流电压转换器以及一最大功率控制电路，该直流/直流电压转换器连接于该太阳能电池；该最大功率控制电路用以控制该直流/直流电压转换器，使该太阳能电池限制在最大功率输出。藉此，本发明不但可随温度限制太阳能电池输出于最大功率，防止该直流/直流电压转换器输出过载，更可操作于不连续导通电流模式，降低该直流/直流电压转换器的开关切换损失。
文档编号H02N6/00GK102545703SQ20111033077
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年11月3日
发明者周弘智, 林瑞礼 申请人:林瑞礼