小型太陽能光伏電源的串聯與并聯線性穩壓

2021-09-24

小型太陽能光伏電源的串聯與并聯線性穩壓

太陽能光伏陣列似乎每天都變得更便宜、更高效，這使得它們在可再生和/或遠程供電應用中越來越實用。盡管如此，任何給定陣列產生的電壓隨負載、入射光強度和溫度而顯著變化，因此通常需要某種形式的調節。

陣列性能可以顯著受益于最大功率點跟蹤 (MPPT) 和開關模式調節，如早期設計理念所示：太陽能陣列控制器不需要乘法器來最大化功率

但對于小型陣列，MPPT 和開關模式電路的額外復雜性似乎不合理，因此線性調節成為更簡單和更好的選擇。本設計理念針對此類系統，重點關注串聯穩壓器拓撲與并聯穩壓器拓撲的相對優勢。

讓我們從一個假設的小型太陽能電池陣列開始，該陣列針對 12W 輸出（在完全陽光直射下 ~1kW/m 2）、1A 和 12V、20% 的光電轉換效率進行了優化，因此標稱面積為 ~0.06m 2 = ~ 100 英寸2 . 然后添加線性調節電路，以在負載電流從 0 到 1A 變化時保持恒定的 12V 輸出。 

圖 1說明了一個合適的串聯穩壓器，而圖 2是一個類似的并聯拓撲。為便于比較并聯穩壓與串聯穩壓的優勢，兩種穩壓器均采用基于古老的 LM10 組合基準 + 運算放大器的相同檢測/控制電路。

圖 1適用于小型太陽能電池陣列的串聯線性穩壓器。

圖 2適用于小型太陽能電池陣列的并聯線性穩壓器。

如圖所示，LM10 200mV 內部基準（引腳 1 + 8）通過提供輸入偏置電流補償的 R1 = R2R3/(R2 + R3) 驅動運算放大器反相輸入（引腳 2），而同相輸入（引腳3) 通過 60:1 R2:R3 分壓器連接到 Vout (Vsetpoint = 200mV(R3/R2 + 1))。因此，運算放大器輸出（引腳 6）將在

Vout < Vsetpoint 并且當 Vout > Vsetpoint 時為正。 

在圖 1（串聯穩壓器）中，引腳 6 通過限流 R4 連接到 D45 PNP 傳輸功率晶體管的基極，當 Vout < Vsetpoint 時增加驅動和負載電流，當 Vout > Vsetpoint 時減小它們。在圖 2（并聯穩壓器）中，引腳 6 驅動 D44 NPN 并聯晶體管的基極，當 Vout > Vsetpoint 時將更多的陣列電流路由到地，而在 Vout > Vsetpoint 時則更少。 

那么，哪種類型的調節（并聯或串聯）更好，何時以及為什么？

 為了回答這個一般性問題，將考慮三類特定的電路性能：

穩壓器效率（在峰值需求時提供給負載的陣列功率的最大部分）

熱管理挑戰（主要由功率晶體管散熱器所需的熱容量決定，反過來又由最大晶體管功耗決定）

調節類型對太陽能電池陣列溫度的影響，從而對陣列轉換效率的影響

調節器效率

當 D45 傳輸晶體管導通并接近飽和時，串聯拓撲的滿載 (1A) 效率受三個因素的限制：

LM10 和 R2R3 分壓器的電流消耗 = 312uA（典型值）

D45 的基本驅動@Ic = 1A = 10mA（典型值）

D45 的飽和壓降 @Ic = 1A = 100mV(typ)

將這些損失相加，估計典型效率因子為 98%。

相比之下，在分流拓撲中，D44 功率晶體管在滿載時完全關閉，陣列和輸出之間的連接是直接的，只留下上述三個因素中的一個來競爭輸出電流：#1——312uA LM10 電流。這導致近乎完美的 99.97% 效率。

結論：就效率而言，串聯非常好，但并聯（實際上）是完美的。請注意，該結果與串聯穩壓效率通常高于并聯穩壓效率的普遍預期不同。

熱管理挑戰

D45 系列傳輸晶體管的最大熱耗散約為 1.33W，發生在 0.66A 負載電流時，可由小型夾式散熱器容納。的D44并聯晶體管的最大功耗，相比之下，發生在零負載電流和大得多：?4.5W，需要相當大和笨重的擠壓片，以限制可接受的溫度上升（?40 ?和自然對流的條件下C）輻射。

根據這個標準，串聯調節是明顯的贏家，因子大于 3。

調節方式對太陽能電池陣列溫度的影響

太陽能電池陣列吸收的總太陽能只能通過兩種方式： 1. 轉換為電能輸送到連接的電路；或 2. 陣列散發的熱量。熱力學第一定律規定后兩者之和必須始終完全等于前者。因此，連接的負載接受的電力越少，陣列必須以熱量的形式釋放的電力就越多，這不可避免地會增加陣列的溫度。 

串聯調節會導致大部分未被負載接受的功率被陣列耗散（記住 D45 保持多冷），而并聯調節則耗散 D44 晶體管和 R4 中被拒絕的功率。因此，在部分負荷，有20％的效率分流調節面板運行冷卻器比串聯調節面板，由多達10 ? C.太陽能陣列轉換效率0.3％與溫度的上升下降到0.4％/ ? C，使得在某些情況下，并聯調節面板的效率可能比串聯調節面板高 3% 或 4%。

按照這個標準，分流調節顯然是優越的。

總而言之，我們看到了一個混合包：分流調節是否通過在三個 ABC 中擊敗兩個系列賽來贏得設計德比？這取決于。在設計者選擇穩壓器類型時平衡相互沖突的標準將取決于相互競爭的優先級，因為它們在特定應用的詳細要求中自行分類。