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小型太阳能光伏电源的串联与并联线性稳压对比

2022-03-08 11:00:56 Stephen Woodward 阅读:
对小型太阳能光伏阵列而言,使用线性稳压方案会比较简单。本设计实例将针对此类系统解读,重点关注串联稳压器拓扑与并联稳压器拓扑的相对优势。

太阳能光伏阵列似乎每天都在变得更便宜、更高效,这使得其在可再生能源和远程供电应用中越来越实用。尽管如此,任何给定阵列所产生的电压都会随负载、入射光强度和温度而显著变化,因此通常就需要某种形式的稳压。bo6ednc

如之前的一篇设计实例“Solar-array controller needs no multiplier to maximize power(无需倍增器来最大化功率的太阳能阵列控制器)”所述,阵列性能可显著受益于最大功率点跟踪(MPPT)和开关式稳压技术。bo6ednc

但是对小型阵列而言,MPPT和开关式电路的额外复杂性似乎就不合理了,因此线性稳压就成为了更好更简单的选择。本设计实例将针对此类系统解读,重点关注串联稳压器拓扑与并联稳压器拓扑的相对优势。bo6ednc

我们首先假设有一个小型太阳能电池阵列,它针对1A、12V也即12W输出(在完全直射的阳光下约为1kW/m2)进行了优化,其光电转换效率为20%,因此其标称面积约为0.06m2或100in2。然后再添加一个线性稳压电路,从而在负载电流从0到1A变化时保持恒定的12V输出。bo6ednc

1给出了一个合适的串联稳压器,而2则是一个相应的并联拓扑。为便于比较并联稳压相对于串联稳压的优势,两种稳压器所采用的检测/控制电路相同,均基于古老的LM10组合基准+运算放大器。bo6ednc

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图1:适用于小型太阳能电池阵列的串联线性稳压器。bo6ednc

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图2:适用于小型太阳能电池阵列的并联线性稳压器。bo6ednc

12所示,LM10 200mV内部基准(引脚1+8)通过提供输入偏置电流补偿的R1=R2·R3/(R2+R3)驱动运算放大器的反相输入(引脚2),而同相输入(引脚3)则通过60:1的R2:R3分压器(Vsetpoint=200mV(R3/R2+1))连接到Vout。因此,当Vout<Vsetpoint时,运算放大器的输出(引脚6)将向负摆动,而当Vout>Vsetpoint时则向正摆动。bo6ednc

1(串联稳压器)中,引脚6通过限流电阻R4连接到D45 PNP传输功率晶体管的基极,因此当Vout<Vsetpoint时就会使驱动电流和负载电流增加,而当Vout>Vsetpoint时则会使它们减小。在2(并联稳压器)中,引脚6对D44 NPN并联晶体管的基极提供驱动,因此当Vout>Vsetpoint时就会使更多的阵列电流流入到地,而当Vout<Vsetpoint时则会更少。bo6ednc

那么,哪种类型的稳压(并联或串联)更好,何时,又是为什么呢?bo6ednc

为了回答这个一般性问题,下面考虑三类特定的电路性能:bo6ednc

  1. 稳压器效率(在峰值需求时向负载提供阵列功率的最大部分);
  2. 散热管理挑战(主要由功率晶体管散热器所需的热容量所决定,进而由最大晶体管功耗所决定);
  3. 稳压方式对太阳能电池阵列温度的影响,进而对阵列转换效率的影响。

(针对具体应用,在设计开关电源时要优先考虑哪种拓扑结构?在这当中又有哪些重要性能指标需要考虑?bo6ednc

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稳压器效率

当D45传输晶体管导通并接近饱和时,串联拓扑的满载(1A)效率受三个因素所限制:bo6ednc

  1. LM10和R2R3分压器的电流消耗=312μA(典型值)
  2. 在Ic=1A=10mA(典型值)条件下D45的基极驱动
  3. 在Ic=1A=100mV(典型值)条件下D45的饱和压降

将这些损耗相加,可估计出典型效率因子为98%。bo6ednc

相比之下,在并联拓扑中,D44功率晶体管在满载时完全关断,阵列和输出之间的连接是直接相连,因此只留下上述三个因素中的一个来竞争输出电流,那就是第一项,312μA LM10电流。这就可得到近乎完美的99.97%的效率。bo6ednc

因此,就效率而言,串联非常好,但并联(实际上)是完美的。请注意,该结果与串联稳压的效率通常要胜过并联稳压的普遍预期不同。bo6ednc

散热管理挑战

D45系列传输晶体管的最大散热约为1.33W,发生在0.66A负载电流下,可由小型夹式散热器来搭配。相比之下,D44并联晶体管的最大散热发生在零负载电流时,并且要大得多,约为4.5W,这就需要使用又大又重的挤压式散热器,从而在自然对流和辐射条件下可接受地抑制温升(约40℃)。bo6ednc

根据这个标准,串联稳压就是明显的赢家,其(冷却)因子要大于3。bo6ednc

稳压方式对太阳能电池阵列温度的影响

太阳能电池阵列所吸收的总太阳能只能通过两种方式离开:1.转换为电能并输送到所连接的电路;2.阵列所散发的热量。热力学第一定律规定后两者之和必须始终完全等于前者。因此,相连负载所接受的电能越少,阵列必须以热量的形式释放的电能就越多,这就不可避免地会使阵列的温度增加。bo6ednc

串联稳压会导致大部分未被负载所接受的电能被阵列耗散(要记住D45要保持多冷),而并联稳压则会耗散D44晶体管和R4中所拒绝的电能。因此,在有部分负载时,效率为20%的并联稳压面板,其工作温度要比串联稳压面板的温度低10℃。太阳能电池阵列的转换效率随温度的升高每℃要下降0.3%至0.4%,因此在某些情况下,并联稳压面板的效率可能比串联稳压面板高3%或4%。bo6ednc

按照这个标准,并联稳压方式就显然非常优越。bo6ednc

总而言之,我们看到了一个大杂烩:并联稳压是否通过在上述三个因素中的两个击败串联稳压而赢得了设计竞赛?这要视情况而定。设计人员在选择稳压器类型时平衡相互冲突的标准将取决于相互竞争的优先级,这时特定应用的详细要求就会使它们自行理清。这就是我们设计工程师赚大钱的原因!嗯哼。bo6ednc

Stephen WoodwardEDN设计实例专栏的关系可以追溯到很久以前。自1974第一篇论文发表以来,EDN总共收到了64篇投稿。bo6ednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Series vs shunt linear voltage regulation for small solar-photovoltaic power supplies,由Franklin Zhao编译。)bo6ednc

本文为《电子技术设计》2022年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里bo6ednc

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责编:Franklin
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Stephen Woodward
W .Stephen Woodward是仪表、传感器和计量学自由顾问,是EDN设计实例栏目最高产且最富创意的作者之一。
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