| 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(yīng)用中越來越實用。盡管如此，任何給定陣列產(chǎn)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(diào)節(jié)。
陣列性能可以顯著受益于最大功率點跟蹤 (MPPT) 和開關(guān)模式調(diào)節(jié)，如早期設(shè)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(guān)模式電路的額外復(fù)雜性似乎不合理，因此線性調(diào)節(jié)成為更簡單和更好的選擇。本設(shè)計理念針對此類系統(tǒng)，重點關(guān)注串聯(lián)穩(wěn)壓器拓撲與并聯(lián)穩(wěn)壓器拓撲的相對優(yōu)勢。
讓我們從一個假設(shè)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(zhuǎn)換效率進行了優(yōu)化，因此標稱面積為 ~0.06m 2 = ~ 100 英寸2 . 然后添加線性調(diào)節(jié)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(lián)穩(wěn)壓器，而圖 2是一個類似的并聯(lián)拓撲。為便于比較并聯(lián)穩(wěn)壓與串聯(lián)穩(wěn)壓的優(yōu)勢，兩種穩(wěn)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(lián)線性穩(wěn)壓器。
圖 2適用于小型太陽能電池陣列的并聯(lián)線性穩(wěn)壓器。
如圖所示，LM10 200mV 內(nèi)部基準（引腳 1 + 8）通過提供輸入偏置電流補償?shù)?R1 = R2R3/(R2 + R3) 驅(qū)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(lián)穩(wěn)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(qū)動和負載電流，當 Vout > Vsetpoint 時減小它們。在圖 2（并聯(lián)穩(wěn)壓器）中，引腳 6 驅(qū)動 D44 NPN 并聯(lián)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(diào)節(jié)（并聯(lián)或串聯(lián)）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(wěn)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(zhàn)（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(diào)節(jié)類型對太陽能電池陣列溫度的影響，從而對陣列轉(zhuǎn)換效率的影響
調(diào)節(jié)器效率
當 D45 傳輸晶體管導(dǎo)通并接近飽和時，串聯(lián)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(qū)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(guān)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(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)（實際上）是完美的。請注意，該結(jié)果與串聯(lián)穩(wěn)壓效率通常高于并聯(lián)穩(wěn)壓效率的普遍預(yù)期不同。
熱管理挑戰(zhàn)
D45 系列傳輸晶體管的最大熱耗散約為 1.33W，發(fā)生在 0.66A 負載電流時，可由小型夾式散熱器容納。的D44并聯(lián)晶體管的最大功耗，相比之下，發(fā)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 ö和自然對流的條件下C）輻射。
根據(jù)這個標準，串聯(lián)調(diào)節(jié)是明顯的贏家，（酷）因子大于 3。
調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換為電能輸送到連接的電路；或 2. 陣列散發(fā)的熱量。熱力學(xué)第一定律規(guī)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(lián)調(diào)節(jié)會導(dǎo)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(lián)調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)面板運行冷卻器比串聯(lián)調(diào)節(jié)面板，由多達10 ö C.太陽能陣列轉(zhuǎn)換效率0.3％與溫度的上升下降到0.4％/ ø C，使得在某些情況下，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%。
按照這個標準，分流調(diào)節(jié)顯然是優(yōu)越的。
總而言之，我們看到了一個混合包：分流調(diào)節(jié)是否通過在三個 ABC 中擊敗兩個系列賽來贏得設(shè)計德比？這取決于。在設(shè)計者選擇穩(wěn)壓器類型時平衡相互沖突的標準將取決于相互競爭的優(yōu)先級，因為它們在特定應(yīng)用的詳細要求中自行分類。 |
