专利名称：太阳电池有源防反接与保护电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光伏发电技术领域，涉及一种太阳电池有源防反接与保护电路的结构和应用，特别是具有太阳电池板防反充电和过流保护的功能，能够取代太阳电池输出端大功率二极管，提高太阳能发电系统的效率，可用于太阳能电池发电系统和太阳能充电电路。
背景技术：
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的新能源，是资源最丰富的可再生能源。太阳能光伏发电技术的发展是人类解决全球性能源危机主要方向之一；太阳能发电不会给空气带来污染，不破坏生态，是一种清洁绿色能源。世界上几起重大核事故的警示，使世界各国政府正在积极地推出一系列开发利用太阳能和其他新型可再生能源的鼓励性政策和法规；全球在光伏发电等新能源领域的投资正在呈现快速发展的趋势，该产业已经成为投资的热门 领域；目前我国已经成为太阳能光伏发电模组的产能大国，正处于市场发展和应用发展的关键阶段，因此自主开发专利技术，对发展我国光伏发电产业等新能源技术具有重要社会和经济意义。太阳能电池是一种半导体器件，其内部结构PN结面积非常大，在低光照条件下，太阳电池反向工作时太阳电池板会发生泄漏，如果太阳电池直接与后面的储能蓄电池相接，蓄电池会通过太阳能电池板放电。为了解决这个问题，传统的太阳电池发电系统中，人们都是用大功率二极管正向串联到太阳电池的输出端，在低光照条件下，后边蓄电池的电压高于太阳电池板电压时，由于二极管的整流特性，可以防止蓄电池通过太阳电池的漏电流放电。但是二极管有O. 7伏的正向压降，在大电流工作时，对太阳电池发电效率有负面影响，比如，当电流达到100安培时，二极管的功耗将达到701因此为了获得更多的充电能量，改善和优化太阳电池板防反充电的方法是非常必要的。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种太阳电池有源防反接与保护电路，以取代太阳电池发电系统的防反接二极管电路结构，提高太阳电池发电系统的效率。本实用新型提出了一种太阳电池有源防反接与保护电路，具有太阳电池接入极性保护、太阳电池板防反充电保护和太阳电池板输出最大电流保护功能，取代了传统的防反接二极管，提高了太阳能发电系统的效率。本实用新型太阳电池有源防反接与保护电路包括DC-DC转换电路，DC-DC转换电路的输入端连接外部太阳电池并分别与电压保护电路和接入保护电路的输入端相连，DC-DC转换电路的输出端与过流保护电路的输入端相连，过流保护电路的输出端作为直流输出，过流保护电路的输出端同时与电压保护电路的另一输入端以及与门电路的输入端D相连,与门电路6的另外三个输入端A、B、C依次分别与电压保护电路的输出端、接入保护电路的输出端以及控制电路驱动信号连接；与门电路的输出端经驱动电路连接DC-DC转换电路的另一输入端，驱动电路的输出端同时与使能控制电路的输入端反馈连接，使能控制电路的另一输入端连接外部使能信号，使能控制电路的两个输出端分别与驱动电路的输入端及外部电路相连。所述的DC-DC转换电路采用传统的BUCK型降压电路拓扑。所述的电压保护电路包括，第一分压电路、第二分压电路以及第一比较器；第一分压电路的输入端与外部太阳电池相连，第一分压电路的输出与第一比较器的正输入端相连，第二分压电路的输入端与过流保护电路的直流输出端相连，第二分压电 路的输出与第一比较器的负输入端相连，第一比较器的输出端连接与门电路的输入端A。所述的过流保护电路包括，电流采样电路、信号放大电路、电流设定电路和第二比较器；电流米样电路的输入端与DC-DC转换电路的输出端相连，电流米样电路的输出端有两个，分别与直流输出端和信号放大电路的输入端相连；信号放大电路的输出端与第二比较器的负输入端相连，第二比较器的正输入端与电流设定电路的输出端相连，第二比较器的输出端连到与门电路的输入端D。所述的控制电路包括，输出锁存电路、延时电路和使能信号处理电路；输出锁存电路的输入端与延时电路的输出端相连，输出锁存电路的输出端有两个，分别与驱动电路的一个输入端和使能信号处理电路的一个输入端相连，使能信号处理电路的另一个输入端与外部使能信号相连，使能信号处理电路的一个输出端与延时电路的输入端相连，另一个输出端连到外部电路，表明本电路的工作状态。所述的接入保护电路包括，电压信号采集电路和第三比较器；电压信号采集电路由依次串联相接的第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3构成，其中第一分压电阻的外侧一端与太阳电池的输入端相连，第三分压电阻的外侧一端与系统地相连，三个串联的分压电阻之间的两个中间节点作为两个输出端，第一分压电阻和第二分压电阻之间的中间节点A与第三比较器的正输入端相连，第二分压电阻和第三分压电阻之间的中间节点B与第三比较器的负输入端相连，第三比较器的输出端连到与门电路的输入端B。本实用新型采用集成设计方法将接入保护电路7、电压保护电路2、控制电路4、与门电路6、驱动电路5、信号放大电路12和第二比较器14设计成一个集成电路，采用全定制方法设计，基于半导体工艺实现；采用系统设计方法将DC-DC转换电路I、电流采样电路11和电流设定电路13与所设计的集成电路设计成一个电路系统，基于PCB实现。本实用新型的优点和积极效果本实用新型提供的太阳电池有源防反接与保护电路，可以同时实现太阳电池防反接保护、输出过流保护和蓄电池反向放电保护，能够取代太阳电池发电系统的大功率防反接二极管，采用集成设计方法，具有功能强、效率高和使用简单等特点，特别适合于降压型中小规模太阳能蓄电池充电电路和独立运行的太阳电池电站。
图I是太阳电池有源防反接与保护电路结构框图；[0022]图2是电压保护电路2的结构框图；图3是过流保护电路3的结构框图；图4是控制电路4的结构框图；图5是接入保护电路7的结构框图。
具体实施方式
实施例I :如图I所示，本实用新型提供的太阳电池有源防反接与保护电路的具体结构包括 DC-DC转换电路I、电压保护电路2、过流保护电路3、控制电路4、驱动电路5、与门电路6和接入保护电路7。DC-DC转换电路的输入端连接外部太阳电池并分别与电压保护电路和接入保护电路的输入端相连，DC-DC转换电路的输出端与过流保护电路的输入端相连，过流保护电路的输出端作为直流输出端，过流保护电路的输出端同时与电压保护电路的另一输入端以及与门电路的输入端D相连，与门电路6的另外三个输入端A、B、C依次分别与电压保护电路的输出端、接入保护电路的输出端以及外部驱动信号连接；与门电路的输出端经驱动电路连接DC-DC转换电路的另一输入端，驱动电路的输出端同时与控制电路的输入端反馈连接，控制电路的另一输入端连接外部使能信号，控制电路的两个输出端分别与驱动电路的输入端及外部电路相连。下面就太阳电池有源防反接与保护电路的各构成子模块详述如下DC-DC转换电路I，采用传统的BUCK型降压电路结构，在本电路中作为开关转换电路实现太阳能电池电压到后边蓄电池电压的变换。电压保护电路2 (如图2所示)，包括，第一分压电路8、第二分压电路10以及第一比较器9 ；第一分压电路的输入端与外部太阳电池相连，第一分压电路的输出与第一比较器的正输入端相连，第二分压电路的输入端与过流保护电路的直流输出端相连，第二分压电路的输出与第一比较器的负输入端相连，第一比较器的输出端连接与门电路的输入端A。太阳电池输入端电压大于直流输出端电压时，第一比较器9的正输入端电压大于负输入端电压，第一比较器9的输出端保持高电平；太阳电池输入端电压小于直流输出端电压时，第一比较器9的正输入端电压小于负输入端电压,第一比较器9的输出端保持低电平，这个低电平输出到与门电路6的输入端A，就会使与门电路6的输出保持低电平，外部驱动信号不能通过与门电路6，DC-DC转换电路I处于关断状态，防止蓄电池通过太阳电池板放电。过流保护电路3 (如图3所示)，包括，电流采样电路11、信号放大电路12、电流设定电路13和第二比较器14。电流采样电路的输入端与DC-DC转换电路的输出端相连，电流采样电路的输出端有两个，分别与直流输出端和信号放大电路的输入端相连；信号放大电路的输出端与第二比较器的负输入端相连，第二比较器的正输入端与电流设定电路的输出端相连，第二比较器的输出端连到与门电路的输入端D。[0038]过流保护电路3实时采集太阳电池输出电流，并与所设定的最大电流限定值进行比较；电流设定电路13根据系统最大输出电流的保护值，为第二比较器14的正输入端设定一个固定电压；电流采样电路11实时的采集DC-DC转换电路I输出的电流，转换为电流信号后经过信号放大电路12放大后，输出到第二比较器14的负输入端；太阳电池输出电流没有达到最大保护电流时，第二比较器14的负输入端电压小于正输入端电压，第二比较器14的输出端保持高电平，使与门电路6的输入端D对其他输入信号没有影响；系统输出电流达到或超过最大保护电流时，第二比较器14的负输入端电压大于正输入端电压，第二比较器14的输出端变为低电平，与门电路6的输入端D变低,使与门电路6的输出保持低电平,夕卜部驱动信号不能通过与门电路6，DC-DC转换电路I处于关断状态，实现系统的过流保护。控制电路4(如图4所示)，包括，输出锁存电路15、延时电路16和使能信号处理电路17。输出锁存电路的输入端与延时电路的输出端相连，输出锁存电路的输出端有两 个，分别与驱动电路5的一个输入端和使能信号处理电路的一个输入端相连,使能信号处理电路的另一个输入端与外部使能信号相连，使能信号处理电路的一个输出端与延时电路的输入端相连，另一个输出端连到外部电路，表明本电路的工作状态。使能信号处理电路17的输入端有三个,一个输入端与外部使能信号相连,第二个输入端与输出锁存电路15的一个输出端相连,第三个输入端与驱动电路5的输出端相连。控制电路4实现本实用新型电路与外部控制电路的接口 ；系统上电后，使能信号处理电路17等待外部使能信号，只有外部使能信号为低电平有效时，才启动延时电路16开始计时，计时完成后延时电路16输出高电平信号，并经过输出锁存电路15锁存后输出到驱动电路5 ;延时电路16延时期间，电压保护电路2，过流保护电路3和接入保护电路7完成现场测试，确定与门电路6的输入状态，在输出锁存电路15输出高电平时，系统进入工作状态；使能信号处理电路17检测输出锁存电路15和驱动电路5的输出信号，在输出锁存电路15输出高电平而驱动电路5输出脉冲驱动信号时,使能信号处理电路17向外部输出端输出低电平，表明电路工作正常；使能信号处理电路17向外部输出端输出高电平时，表明系统处于关断状态。接入保护电路7(如图5所示)，包括，电压信号采集电路18和第三比较器19。电压信号采集电路由依次串联相接的第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻(R1、R2和R3)构成,其中第一分压电阻的外侧一端与太阳电池的输入端相连,第三分压电阻的外侧一端与系统地相连，三个串联的分压电阻之间的两个中间节点(A和B)作为两个输出端，第一分压电阻和第二分压电阻之间的中间节点A与第三比较器的正输入端相连，第二分压电阻和第三分压电阻之间的中间节点B与第三比较器的负输入端相连，第三比较器的输出端连到与门电路的输入端B。接入保护电路7检测外部太阳电池输入的极性，外部太阳电池正负极正确接入时，第二分压电阻R2上的电压A点大于B点，第三比较器19的输出端为高电平，使与门电路6的输入端B对其他输入端没有影响；外部太阳电池输入端极性接反时，第二分压电阻R2上的电压A点小于B点，第三比较器19的输出端为低电平，与门电路6的输入端B变低，使与门电路6的输出保持低电平，外部驱动信号不能通过与门电路6，使DC-DC转换电路I处于关断状态。[0046]驱动电路5，驱动电路5的功能是对外部的驱动信号进行缓冲和使能，控制电路4的输出端为高电平时，驱动电路5对来自与门电路6输出端的外部驱动信号进行缓冲和调理，控制电路4的输出端为低电平时，驱动电路5处于关断状态，其输出端保持低电平。与门电路6，与门电路6实现开关作用，共有四个输入端A、B、C和D，其中任何一个输入端为低电平时，都会使与门电路6的输出保持低电平，当任意一个输入端为高电平时，则不影响其他输入端的信号通过与门电路6。所以只有在电压保护电路2的输出端、接入保护电路7的输出端、过流保护电路3的输出端都为高电平时，外部驱动信号才能经输入端C通过与门电路6，到达驱动电路5的输入端；只要电压保护电路2的输出端、接入保护电路7的输出端、过流保护电路3的输出端有一个为低电平，则与门电路6关闭，外部驱动信号不能通过与门电路6。一、本太阳电池有源防反接与保护电路的工作过程第一、系统上电后，控制电路4的输出端为低电平，使驱动电路5关闭；同时控制电路4内部的使能信号处理电路17检查外部使能信号，在外部使能信号为低电平有效时，使能信号处理电路17启动延时电路16，等延时结束，延时电路16输出高电平信号，经过输出锁存电路15锁存后，使驱动电路5开启。第二、在延时电路16延时期间，接入保护电路7检测太阳电池的接入极性；电压信号采集电路18内部的分压电阻Rl、R2和R3串联接在太阳电池的输入端和地之间，第二分压电阻R2的两端A和B两点的电压与太阳电池接入极性有关，外部太阳电池输入极性正确时，第二分压电阻R2上的电压A点大于B点，第三比较器19的输出端为高电平，使与门电路6的输入端B为高电平，允许外部驱动信号由输入端C通过与门电路6 ;外部太阳电池输入极性接反时，第三比较器19的输出端为低电平，使与门电路6的输出端始终为低，输入端C的外部驱动信号不能通过与门电路6，驱动电路5输出低电平，DC-DC转换电路I不工作。第三、在延时电路16延时期间，电压保护电路2检测输入端电压和输出端电压；电压保护电路2内部的第一分压电路8和第二分压电路10分别采集太阳电池输入端电压和直流输出端电压；第一比较器9比较两个电压的值,在太阳电池发电系统正常工作时,第一比较器9的正输入端电压大于负输入端电压，第一比较器9的输出端保持高电平，允许外部驱动信号由输入端C通过与门电路6 ;在阴天或夜晚，太阳电池电压下降到等于或低于后端蓄电池电压时，第一比较器9的正输入端电压小于负输入端电压,第一比较器9的输出端保持低电平，使与门电路6的输出端始终为低，外部驱动信号不能通过与门电路6，驱动电路5输出低电平，DC-DC转换电路I不工作。第四、在延时电路16延时期间，过流保护电路3输出端为高电平，使得与门电路6的D输入端保持高电平。第五、延时电路16延时结束后，与门电路6的A输入端、B输入端和D输入端都为高电平，外部驱动信号由输入端C通过与门电路6，加到驱动电路5的输入端，驱动电路5驱动DC-DC转换电路I工作，系统启动。第六、系统启动后，使能信号处理电路17检测输出锁存电路15的输出和驱动电路5的输出，在输出锁存电路15输出高电平,驱动电路5有脉冲信号输出时,使能信号处理电路17向外部输出低电平信号，表明系统正常工作。第七，在电路正常工作状态，过流保护电路3内部的电流采样电路11实时的采集DC-DC转换电路I输出的电流，转换为电流信号经过信号放大电路12放大后，输出到第二比较器14的负输入端；系统输出电流没有达到最大保护电流时，第二比较器14的负输入端电压小于正输入端电压，第二比较器14的输出端保持高电平,使与门电路6的输入端D对其他输入端的信号传输没有影响，系统正常工作；在系统输出电流达到或超过最大保护电流时，第二比较器14的负输入端电压大于正输入端电压,第二比较器14的输出端变为低电平，使得与门电路6的输入端D变低，阻止外部驱动信号经过与门电路6，驱动电路5输出低电平，关断DC-DC转换电路1，实现对系统的过流保护。二、本太阳电池有源防反接与保护电路的太阳电池板接入保护功能实现的工作流程如下接入保护电路7的结构框图如图5所示，由电压信号采集电路18和第三比较器19组成，其工作过程为第一步，太阳电池板的输出加到电压信号采集电路18，其内部的串联电阻Rl、R2、R3的对太阳电池的电压进行分压，串联电路中有电流流过。第二步，串联电路中的电流流过第二分压电阻R2，在R2两端形成电压差，这个电压差加在第三比较器19的两个输入端，第三比较器19的正输入端接在第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2之间的A点，第三比较器19的负输入端接在第二分压电阻R2和第三分压电阻R3之间的B点。第三步，太阳电池板输出的正极从第一分压电阻Rl的一端接入，负极从第三分压电阻R3的一端输入，即太阳电池板接入极性正确，串联电路的电流从第一分压电阻Rl流向第三分压电阻R3，第二分压电阻R2两端A点的电压大于B点电压，第三比较器19输出高电平，这个高电平加在与门电路6的输入端B,对与门电路6其他输入端的信号传输没有影响，允许外部驱动信号通过与门电路6，电路不进行保护操作，正常工作。第四步，太阳电池板输出的正极从第三分压电阻R3的一端接入，负极从第一分压电阻Rl的一端输入，即太阳电池板接入极性错误，串联电路的电流从第三分压电阻R3流向第一分压电阻R1，第二分压电阻R2两端B点的电压大于A点电压，第三比较器19的输出端为低电平，这个低电平加在与门电路6的输入端B，使与门电路6的输出端始终为低电平，阻断外部驱动信号通过与门电路6，驱动电路5的输出维持低电平，关闭DC-DC转换电路I，实现太阳电池板接入极性错误时的保护功能。三、本太阳电池有源防反接与保护电路的电压保护功能实现的工作流程如下电压保护电路2的结构框图如图2所示，由第一分压电路8，第一比较器9和第二分压电路10组成，其工作过程为第一步，第一分压电路8将太阳电池板的电压进行分压和信号采集，并将电压信号输出到第一比较器9的正输入端。第二步，第二分压电路10将直流输出端的电压进行分压和信号采集，并将电压信号输出到第一比较器9的负输入端。第三步，由于本实用新型适用于降压型太阳电池发电系统，具有足够光照条件时，太阳电池板的输出电压大于直流输出端的电压，优化设计第一分压电路8和第二分压电路10,使第一比较器9的正输入端电压大于负输入端电压。第一比较器9输出高电平,这个高电平加在与门电路6的输入端A,对与门电路6其他输入端的信号传输没有影响,允许外部驱动信号通过与门电路6，电路不进行保护操作，正常工作。第四步，在夜间或阴天的情况下，太阳电池输入端电压会小于直流输出端电压，第一分压电路8输出的电压小于第二分压电路10输出的电压,第一比较器9的正输入端电压小于负输入端电压，第一比较器9的输出端为低电平，这个低电平输出到与门电路6的输入端A，就会使与门电路6的输出保持低电平，外部驱动信号不能通过与门电路6，DC-DC转换电路I处于关断状态，实现防止蓄电池通过太阳电池板放电的功能。四、本太阳电池有源防反接与保护电路的输出过流保护实现的工作流程如下过流保护电路3的结构框图如图3 所示内部由电流采样电路11、信号放大电路12、电流设定电路13和第二比较器14组成，其工作过程为第一步，电流采样电路11直接串联在电流输出回路中，实时采集DC-DC转换电路I输出的电流。第二步，电流设定电路13根据发电系统的功率指标，确定最大输出电流保护值，设定一个具体的电压值加在第二比较器14的正输入端。第三步，信号放大电路12对电流采样电路11输出的实时电流信号进行放大处理，输出到第二比较器14的负输入端。第四步，第二比较器14实时比较正输入端电压与负输入端电压大小。第五步，太阳电池输出电流没有达到最大保护电流时，第二比较器14的负输入端电压小于正输入端电压，第二比较器14的输出端输出高电平,这个高电平加在与门电路6的输入端D，对与门电路6其他输入端的信号传输没有影响，允许外部控制电路输入信号通过与门电路6，电路不进行保护操作，正常工作。第六步，负载电路出现短路和过载时，太阳电池板输出电流达到最大输出电流保护值，第二比较器14的负输入端电压大于正输入端电压，第二比较器14的输出端变为低电平，这个低电平输出到与门电路6的输入端D，就会使与门电路6的输出保持低电平，外部驱动信号不能通过与门电路6，DC-DC转换电路I处于关断状态，实现系统的过流保护功能。
权利要求1.一种太阳电池有源防反接与保护电路，其特征在于该电路包括 DC-DC转换电路，DC-DC转换电路的输入端连接外部太阳电池并分别与电压保护电路和接入保护电路的输入端相连，DC-DC转换电路的输出端与过流保护电路的输入端相连，过流保护电路的输出端作为直流输出，过流保护电路的输出端同时与电压保护电路的另ー输入端以及与门电路的输入端D相连，与门电路的另外三个输入端A、B、C依次分别与电压保护电路的输出端、接入保护电路的输出端以及控制电路驱动信号连接； 与门电路的输出端经驱动电路连接DC-DC转换电路的另ー输入端，驱动电路的输出端同时与控制电路的输入端反馈连接，控制电路的另ー输入端连接外部使能信号，控制电路的两个输出端分别与驱动电路的输入端及外部电路相连。
2.根据权利要求I所述的太阳电池有源防反接与保护电路，其特征在于，所述的DC-DC 转换电路采用传统的BUCK型降压电路拓扑。
3.根据权利要求I所述的太阳电池有源防反接与保护电路，其特征在于，所述的电压保护电路包括，第一分压电路、第二分压电路以及第ー比较器； 第一分压电路的输入端与外部太阳电池相连，第一分压电路的输出与第一比较器的正输入端相连，第二分压电路的输入端与过流保护电路的直流输出端相连，第二分压电路的输出与第一比较器的负输入端相连，第一比较器的输出端连接与门电路的输入端A。
4.根据权利要求I所述的太阳电池有源防反接与保护电路，其特征在于，所述的过流保护电路包括，电流采样电路、信号放大电路、电流设定电路和第二比较器； 电流采样电路的输入端与DC-DC转换电路的输出端相连，电流采样电路的输出端有两个，分别与直流输出端和信号放大电路的输入端相连；信号放大电路的输出端与第二比较器的负输入端相连，第二比较器的正输入端与电流设定电路的输出端相连，第二比较器的输出端连到与门电路的输入端D。
5.根据权利要求I所述的太阳电池有源防反接与保护电路，其特征在于，所述的控制电路包括，输出锁存电路、延时电路和使能信号处理电路； 输出锁存电路的输入端与延时电路的输出端相连，输出锁存电路的输出端有两个，分别与驱动电路的一个输入端和使能信号处理电路的ー个输入端相连，使能信号处理电路的另ー个输入端与外部使能信号相连，使能信号处理电路的ー个输出端与延时电路的输入端相连，另ー个输出端连到外部电路，表明本电路的工作状态。
6.根据权利要求I所述的太阳电池有源防反接与保护电路，其特征在于，所述的接入保护电路包括，电压信号采集电路和第三比较器； 电压信号采集电路由依次串联相接的第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻构成，其中第一分压电阻的外侧一端与太阳电池的输入端相连，第三分压电阻的外侧一端与系统地相连，三个串联的分压电阻之间的两个中间节点作为两个输出端，第一分压电阻和第二分压电阻之间的中间节点A与第三比较器的正输入端相连，第二分压电阻和第三分压电阻之间的中间节点B与第三比较器的负输入端相连，第三比较器的输出端连到与门电路 的输入端B。
专利摘要太阳电池有源防反接与保护电路。可用于降压式太阳电池发电系统。该电路由DC-DC转换电路、电压保护电路、过流保护电路、驱动电路、与门电路、接入保护电路和控制电路组成。应用于太阳能发电系统能够同时实现太阳电池接入极性接反保护、太阳电池输出电流过流和负载短路保护、避免后端储能蓄电池通过太阳电池反向放电保护。本实用新型提出的电路能够取代传统太阳电池发电系统的大功率防反接二极管，有效提高太阳能发电系统的效率。
文档编号H02H11/00GK202474816SQ201220076360
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者刘艳艳, 周锎, 宋芃霖, 李响, 王俊, 王立萍, 耿卫东 申请人:南开大学