小(xiǎo)型太阳能(néng)光伏電(diàn)源的串联与并联線(xiàn)性稳压

2021-09-24

小(xiǎo)型太阳能(néng)光伏電(diàn)源的串联与并联線(xiàn)性稳压

太阳能(néng)光伏阵列似乎每天都变得更便宜、更高效，这使得它们在可(kě)再生和/或遠(yuǎn)程供電(diàn)应用(yòng)中越来越实用(yòng)。尽管如此，任何给定阵列产生的電(diàn)压随负载、入射光强度和温度而显着变化，因此通常需要某种形式的调节。

阵列性能(néng)可(kě)以显着受益于最大功率点跟踪 (MPPT) 和开关模式调节，如早期设计理(lǐ)念所示：太阳能(néng)阵列控制器不需要乘法器来最大化功率

但对于小(xiǎo)型阵列，MPPT 和开关模式電(diàn)路的额外复杂性似乎不合理(lǐ)，因此線(xiàn)性调节成為(wèi)更简单和更好的选择。本设计理(lǐ)念针对此类系统，重点关注串联稳压器拓扑与并联稳压器拓扑的相对优势。

让我们从一个假设的小(xiǎo)型太阳能(néng)電(diàn)池阵列开始，该阵列针对 12W 输出（在完全阳光直射下 ~1kW/m 2）、1A 和 12V、20% 的光電(diàn)转换效率进行了优化，因此标称面积為(wèi) ~0.06m 2 = ~ 100 英寸2 . 然后添加線(xiàn)性调节電(diàn)路，以在负载電(diàn)流从 0 到 1A 变化时保持恒定的 12V 输出。 

图 1说明了一个合适的串联稳压器，而图 2是一个类似的并联拓扑。為(wèi)便于比较并联稳压与串联稳压的优势，两种稳压器均采用(yòng)基于古老的 LM10 组合基准 + 运算放大器的相同检测/控制電(diàn)路。

图 1适用(yòng)于小(xiǎo)型太阳能(néng)電(diàn)池阵列的串联線(xiàn)性稳压器。

图 2适用(yòng)于小(xiǎo)型太阳能(néng)電(diàn)池阵列的并联線(xiàn)性稳压器。

如图所示，LM10 200mV 内部基准（引脚 1 + 8）通过提供输入偏置電(diàn)流补偿的 R1 = R2R3/(R2 + R3) 驱动运算放大器反相输入（引脚 2），而同相输入（引脚3) 通过 60:1 R2:R3 分(fēn)压器连接到 Vout (Vsetpoint = 200mV(R3/R2 + 1))。因此，运算放大器输出（引脚 6）将在

Vout < Vsetpoint 并且当 Vout > Vsetpoint 时為(wèi)正。 

在图 1（串联稳压器）中，引脚 6 通过限流 R4 连接到 D45 PNP 传输功率晶體(tǐ)管的基极，当 Vout < Vsetpoint 时增加驱动和负载電(diàn)流，当 Vout > Vsetpoint 时减小(xiǎo)它们。在图 2（并联稳压器）中，引脚 6 驱动 D44 NPN 并联晶體(tǐ)管的基极，当 Vout > Vsetpoint 时将更多(duō)的阵列電(diàn)流路由到地，而在 Vout > Vsetpoint 时则更少。 

那么，哪种类型的调节（并联或串联）更好，何时以及為(wèi)什么？

 為(wèi)了回答(dá)这个一般性问题，将考虑三类特定的電(diàn)路性能(néng)：

稳压器效率（在峰值需求时提供给负载的阵列功率的最大部分(fēn)）

热管理(lǐ)挑战（主要由功率晶體(tǐ)管散热器所需的热容量决定，反过来又(yòu)由最大晶體(tǐ)管功耗决定）

调节类型对太阳能(néng)電(diàn)池阵列温度的影响，从而对阵列转换效率的影响

调节器效率

当 D45 传输晶體(tǐ)管导通并接近饱和时，串联拓扑的满载 (1A) 效率受三个因素的限制：

LM10 和 R2R3 分(fēn)压器的電(diàn)流消耗 = 312uA（典型值）

D45 的基本驱动@Ic = 1A = 10mA（典型值）

D45 的饱和压降 @Ic = 1A = 100mV(typ)

将这些损失相加，估计典型效率因子為(wèi) 98%。

相比之下，在分(fēn)流拓扑中，D44 功率晶體(tǐ)管在满载时完全关闭，阵列和输出之间的连接是直接的，只留下上述三个因素中的一个来竞争输出電(diàn)流：#1——312uA LM10 電(diàn)流。这导致近乎完美的 99.97% 效率。

结论：就效率而言，串联非常好，但并联（实际上）是完美的。请注意，该结果与串联稳压效率通常高于并联稳压效率的普遍预期不同。

热管理(lǐ)挑战

D45 系列传输晶體(tǐ)管的最大热耗散约為(wèi) 1.33W，发生在 0.66A 负载電(diàn)流时，可(kě)由小(xiǎo)型夹式散热器容纳。的D44并联晶體(tǐ)管的最大功耗，相比之下，发生在零负载電(diàn)流和大得多(duō)：〜4.5W，需要相当大和笨重的挤压片，以限制可(kě)接受的温度上升（〜40 ö和自然对流的条件下C）辐射。

根据这个标准，串联调节是明显的赢家，因子大于 3。

调节方式对太阳能(néng)電(diàn)池阵列温度的影响

太阳能(néng)電(diàn)池阵列吸收的总太阳能(néng)只能(néng)通过两种方式： 1. 转换為(wèi)電(diàn)能(néng)输送到连接的電(diàn)路；或 2. 阵列散发的热量。热力學(xué)第一定律规定后两者之和必须始终完全等于前者。因此，连接的负载接受的電(diàn)力越少，阵列必须以热量的形式释放的電(diàn)力就越多(duō)，这不可(kě)避免地会增加阵列的温度。 

串联调节会导致大部分(fēn)未被负载接受的功率被阵列耗散（记住 D45 保持多(duō)冷），而并联调节则耗散 D44 晶體(tǐ)管和 R4 中被拒绝的功率。因此，在部分(fēn)负荷，有(yǒu)20％的效率分(fēn)流调节面板运行冷却器比串联调节面板，由多(duō)达10 ö C.太阳能(néng)阵列转换效率0.3％与温度的上升下降到0.4％/ ø C，使得在某些情况下，并联调节面板的效率可(kě)能(néng)比串联调节面板高 3% 或 4%。

按照这个标准，分(fēn)流调节显然是优越的。

总而言之，我们看到了一个混合包：分(fēn)流调节是否通过在三个 ABC 中击败两个系列赛来赢得设计德比？这取决于。在设计者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，因為(wèi)它们在特定应用(yòng)的详细要求中自行分(fēn)类。