广告

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。lx2ednc

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。lx2ednc

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。lx2ednc

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。lx2ednc

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。lx2ednc

lx2ednc

图1:适用于小型太阳能电池阵列的串联线性稳压器。lx2ednc

lx2ednc

图2:适用于小型太阳能电池阵列的并联线性稳压器。lx2ednc

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。lx2ednc

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。lx2ednc

那么,哪种类型的稳压(并联或串联)更好,何时,又是为什么呢?lx2ednc

为了回答这个一般性问题,下面考虑三类特定的电路性能:lx2ednc

  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?lx2ednc

2022年4月21日,在AspenCore主办的“2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2022)”(4月20-21日,上海国际会议中心)的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上,来自是德科技、捷捷微、R&S、PI、英诺赛科、泰克科技、Future、必易微、EPC等行业知名厂商的专家,将会发表有关“利用电池模拟技术, 提升BMS设计的可靠性, 延长电池寿命”、“综合数据和电源的连接与数字生活的前世,今生、未来”、“多串锂电池的高精度监控器和保护器”等热门电源话题的主题演讲,探讨电源设计细节,邀您报名参加!)lx2ednc

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:lx2ednc

  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%。lx2ednc

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。lx2ednc

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。lx2ednc

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℃)。lx2ednc

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。lx2ednc

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。lx2ednc

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%。lx2ednc

按照这个标准,并联稳压方式就显然非常优越。lx2ednc

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。lx2ednc

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。lx2ednc

(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。)lx2ednc

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lx2ednc

邀您报名参加IIC Shanghai 2022

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?lx2ednc

2022年4月21日,在AspenCore主办的“2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2022)”(4月20-21日,上海国际会议中心)的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上,来自是德科技、捷捷微、R&S、PI、英诺赛科、泰克科技、Future、必易微、EPC等行业知名厂商的专家,将会发表有关“利用电池模拟技术, 提升BMS设计的可靠性, 延长电池寿命”、“综合数据和电源的连接与数字生活的前世,今生、未来”、“多串锂电池的高精度监控器和保护器”等热门电源话题的主题演讲,探讨电源设计细节,邀您报名参加lx2ednc

责编:Franklin
本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • vivo X Fold首拆:30万次无折痕是如何实现的? vivo终于也进军到了折叠屏市场,并特别强调其全新折叠旗舰vivo X Fold,德国莱茵测试显示折叠30万次后,折痕依旧控制得极好。为了研究vivo X Fold铰链结构的独特设计,享拆第一时间拆解了这款手机,那我们就来一拆究竟!
  • Pixel智能手机演变:最新功能与个人化 当我在为明年Pixel 4a (5G)的动向做准备时,我想听听其他Android生态系统参与者的意见:您对于Google的Pixel手机——尤其是Pixel 4a (5G)有什么看法?相对于您可能使用其手机的其他公司的产品呢?
  • 蜂蜜可用于制造忆阻器?大小与人类的头发差不多 表在Journal of Physics D上的一项研究中,研究人员表明,蜂蜜可用于制造忆阻器,这是一种类似于晶体管的组件,不仅可以处理数据,还可以将数据存储在内存中。
  • TDDI芯片价格下跌行情下驱动IC的发展趋势 在智能手机市场日渐饱和,手机销量持续下跌的市场下,应用最为广泛的TDDI触控显示集成芯片的销量也会受到巨大的冲击。各大驱动IC供应商的策略将会把TDDI的重心转向汽车电子显示器和平板~
  • 高压电源的前馈分析 电压控制反馈回路在高压部份需要使用“前馈”电容器,而且该电容器绝对“必须”从电压倍增器的最高电压节点、该倍增器的输出节点以及RC高压滤波器的正前方馈电...
  • 芯和半导体在DesignCon 2022大会上发布新品Hermes P 芯和半导体,在近日举行的DesignCon 2022大会上正式发布了新品Hermes PSI。Hermes PSI是芯和半导体发布的首款电源完整性分析工具。
  • 苹果被曝向黑客提供私人用户信息 受黑客伪造的法律文件欺骗,苹果和 Facebook 的母公司 Meta 去年可能已经交出了私人客户信息,包括地址、电话号码和 IP 地址。
  • 苹果公布多项压力传感器相关专利,或将取代Apple Watch 据EDN电子技术设计了解,美国专利商标局近日公布了多项与压力传感器相关的苹果专利。该技术可以在Apple Watch、MacBook以及iPhone等产品上使用。有网友表示,这个传感器的设计有点像是消失已久的3D Touch。
  • 俄公司测试鸿蒙系统,网友:华为的回应可以这样解读 外媒报道称,受美国制裁影响,俄罗斯BQ公司已经在测试中国华为的鸿蒙操作系统,搭载鸿蒙操作系统的新智能手机可能会在2022年下半年发布。华为回应目前暂无计划在海外推出搭载HarmonyOS的手机。但有网友认为华为此番回应的意思是:我没在海外卖鸿蒙手机,但是俄罗斯手机厂商你自行用OpenHarmony开发做手机系统就行了。
  • 特斯拉一辆汽车的研发费2984美元,那蔚来、小鹏、理想呢 近日,stockapps.com对比了2020年的特斯拉、克莱斯勒汽、通用汽车、日本丰田汽车、福特汽车的广告和研发总支出,指出特斯拉在研发(R&D)上的投入比其他汽车制造商都要多,对此,EDN小编在此也将国内造车新势力三强蔚来、小鹏、理想的研发投入数据与之对比。
  • 芯片短缺影响下,工程师的设计选款和应用发生哪些改变? 据EDN电子技术设计了解,近日,安富利发布了一项针对全球工程师的调查,以调查工程师如何应对全球芯片短缺、更长的交货时间以及工程师的设计选款和应用,发生哪些改变。
  • 拆解Mac Studio,揭开M1 Ultra芯片的神秘面纱 MI Ultra芯片发布后,大家对搭载MI Ultra芯片的Mac Studio期望甚高,外国博主Max Tech拿到Mac Studio产品后,第一时间对其进行了拆解,并拍下了高清完整的拆解视频,让我们跟随拆解视频,看看Mac Studio的内部设计,以及M1 Ultra 有多大?
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了