太陽(yáng)能光伏陣列似乎每天都變得更便宜、更高效，這使得它們?cè)诳稍偕茉春?或遠(yuǎn)程電源應(yīng)用中越來(lái)越實(shí)用。盡管如此，任何給定陣列產(chǎn)生的電壓都會(huì)隨負(fù)載、入射光強(qiáng)度和溫度而顯著變化，因此通常需要某種形式的調(diào)節(jié)。

陣列性能可以從功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 和開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)中顯著受益，如早期設(shè)計(jì)理念中所示：太陽(yáng)能陣列控制器不需要乘法器來(lái)化功率

但對(duì)于小型陣列，MPPT 和開(kāi)關(guān)模式電路的額外復(fù)雜性似乎沒(méi)有道理，這使得線性調(diào)節(jié)成為更簡(jiǎn)單和更好的選擇。本設(shè)計(jì)理念針對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)，著重于串聯(lián)與并聯(lián)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

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讓我們從一個(gè)假設(shè)的小型太陽(yáng)能電池陣列開(kāi)始，優(yōu)化為 12V 時(shí) 1A 的 12W 輸出（在完全直射陽(yáng)光下 ~1kW/m 2），20% 的光電轉(zhuǎn)換效率，因此標(biāo)稱(chēng)面積 ~0.06m 2 = ~ 100 合2。然后添加線性調(diào)節(jié)電路，以針對(duì)從 0 到 1A 的負(fù)載電流變化保持恒定的 12V 輸出。

圖 1顯示了一個(gè)合適的串聯(lián)穩(wěn)壓器，而圖 2是一個(gè)類(lèi)似的并聯(lián)拓?fù)?。為了便于比較并聯(lián)調(diào)節(jié)與串聯(lián)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，兩種調(diào)節(jié)器均采用相同的感測(cè)/控制電路，該電路基于久負(fù)盛名的 LM10 組合基準(zhǔn) + 運(yùn)算放大器。

圖 1適用于小型太陽(yáng)能電池陣列的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器。

圖 2適用于小型太陽(yáng)能電池陣列的并聯(lián)線性穩(wěn)壓器。

參考這些圖，LM10 200mV 內(nèi)部基準(zhǔn)（引腳 1 + 8）通過(guò) R1 = R2R3/(R2 + R3) 驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器反相輸入（引腳 2），提供輸入偏置電流補(bǔ)償，而同相輸入（引腳3) 通過(guò) 60:1 R2:R3 分壓器連接到 Vout (Vsetpoint = 200mV(R3/R2 + 1))。因此，運(yùn)算放大器輸出（引腳 6）將在

Vout < Vsetpoint，當(dāng) Vout > Vsetpoint 時(shí)為正。

在圖 1（串聯(lián)穩(wěn)壓器）中，引腳 6 通過(guò)限流 R4 連接到 D45 PNP 傳輸功率晶體管的基極，當(dāng) Vout < Vsetpoint 時(shí)增加驅(qū)動(dòng)和負(fù)載電流，當(dāng) Vout > Vsetpoint 時(shí)減小它們。在圖 2（并聯(lián)穩(wěn)壓器）中，引腳 6 驅(qū)動(dòng) D44 NPN 并聯(lián)晶體管的基極，當(dāng) Vout > Vsetpoint 時(shí)將更多陣列電流路由到地，當(dāng) Vout > Vsetpoint 時(shí)路由更少。

那么，哪種類(lèi)型的調(diào)節(jié)（分流或串聯(lián)）更好，何時(shí)以及為什么？

要回答這個(gè)一般性問(wèn)題，將考慮三類(lèi)特定的電路性能：

 

1. 穩(wěn)壓器效率（在峰值需求時(shí)提供給負(fù)載的陣列功率的部分）
2. 熱管理挑戰(zhàn)（主要取決于功率晶體管散熱器所需的熱容量，進(jìn)而取決于晶體管功耗）
3. 調(diào)節(jié)類(lèi)型對(duì)太陽(yáng)能電池陣列溫度的影響，從而影響陣列轉(zhuǎn)換效率

穩(wěn)壓器效率

 

當(dāng) D45 傳輸晶體管導(dǎo)通并接近飽和時(shí)，串聯(lián)拓?fù)涞臐M載 (1A) 效率受三個(gè)因素限制：

 

1. LM10 和 R2R3 分壓器的電流消耗 = 312uA（典型值）
2. D45 的基本驅(qū)動(dòng) @Ic = 1A = 10mA（典型值）
3. D45 的飽和壓降 @Ic = 1A = 100mV(typ)

將這些損耗相加得出估計(jì)的典型效率系數(shù)為 98%。

 

相比之下，在分流拓?fù)渲校珼44 功率晶體管在滿載時(shí)完全關(guān)閉，并且陣列和輸出之間的連接是直接的，僅留下上述三個(gè)因素之一來(lái)競(jìng)爭(zhēng)輸出電流：#1—312uA LM10 電流。這導(dǎo)致近乎完美的 99.97% 效率。

結(jié)論：就效率而言，串聯(lián)非常好，但并聯(lián)（實(shí)際上）是完美的。請(qǐng)注意，此結(jié)果不同于一般預(yù)期，即串聯(lián)調(diào)節(jié)的效率通常優(yōu)于并聯(lián)調(diào)節(jié)的效率。

熱管理挑戰(zhàn)

D45 系列傳輸晶體管的散熱量約為 1.33W，出現(xiàn)在 0.66A 負(fù)載電流下，可由小型夾式散熱器提供。相比之下，D44 并聯(lián)晶體管的耗散出現(xiàn)在零負(fù)載電流時(shí)，并且更大：~4.5W，需要大量且笨重的擠壓散熱器以可接受地限制自然對(duì)流條件下的溫升（~40 o C）和輻射。

按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，串聯(lián)調(diào)節(jié)是明顯的贏家，（酷）因子> 3。

調(diào)節(jié)類(lèi)型對(duì)太陽(yáng)能電池陣列溫度的影響

太陽(yáng)能電池陣列吸收的總太陽(yáng)能只能通過(guò)兩種方式： 1. 轉(zhuǎn)換成電能輸送到連接的電路；或 2. 陣列散發(fā)的熱量。熱力學(xué)定律規(guī)定后兩者之和必須始終恰好等于前者。因此，連接負(fù)載接受的電能越少，陣列必須以熱量形式排放的電能就越多，這不可避免地會(huì)增加陣列的溫度。

串聯(lián)調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致負(fù)載未接受的大部分功率被陣列耗散（記住 D45 保持的冷卻程度），而并聯(lián)調(diào)節(jié)會(huì)耗散 D44 晶體管和 R4 中的拒絕功率。因此，在部分負(fù)載下，效率為 20% 的并聯(lián)調(diào)節(jié)面板的運(yùn)行溫度比串聯(lián)調(diào)節(jié)面板低 10 o C。太陽(yáng)能電池陣列轉(zhuǎn)換效率隨溫度升高 0.3% 至 0.4%/ o C 而下降，因此在某些情況下，并聯(lián)調(diào)節(jié)面板的效率可能比串聯(lián)調(diào)節(jié)面板高 3% 或 4%。

按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分流調(diào)節(jié)顯然更勝一籌。

總而言之，我們看到了一個(gè)混合包：分流調(diào)節(jié)是否通過(guò)在三分之二的 ABC 中擊敗系列賽而贏得設(shè)計(jì)比賽？這取決于。設(shè)計(jì)人員在選擇穩(wěn)壓器類(lèi)型時(shí)平衡相互沖突的標(biāo)準(zhǔn)將取決于相互競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)先級(jí)，因?yàn)樗麄冊(cè)谔囟☉?yīng)用的詳細(xì)要求中自行排序。這就是我們?cè)O(shè)計(jì)工程師賺大錢(qián)的原因！咳咳。