2011 十一月

微型DC/DC变频器参考设计

最大效率

TDK-EPC同意法半导体一起开发出光电装置用微型直流变频器的参考设计。它能够极大地增加这些装置的效能。

单一太阳能电池和通常包含串联的几个组件的整个光电装置的输出很大程度上是由入射光决定的。光照越强,组件的电流输出就越大。另一个确定输出的变量是太阳能电池的温度。其上升时,输出电压就下降。图1显示了这些相关性。

表1:光伏模块的电流和电压特性

光伏模块的输出可以根据投射光和温度剧烈地变化。

理想的操作点可以由每个这些特征得出。当产品输出电流和电压的乘积达到最大时会达到理想操作点。此最佳操作点也称为最大功率点(MPP)(图2)。

图2:理想的操作点

光伏组件的电流-电压特性(红色)和电源特性(蓝色)。产品的电流电压的乘积达到最大值时就会达到理想的最大功率点(MPP)。

最先进的变频器中,最大功率点追踪器(MPPT)不断地通过控制处理器运算确定理想的操作点。这极大地降低了MPP对入射光和温度的依赖度。

只要所有的安装组件或单元线在同一条件下操作时,此方法是可以接受的。但是如果装置或其组件部分处于阴影部分,此方法不起作用,因为MPPT一直仅仅评估整个装置或单元线。因此会发生大量的功率损耗。

为了解决这个问题,意法半导体连同TDK-EPC已经开发了完整的MPPT的微型直流变频器。这些变频器的尺寸仅为78 × 47 × 13 mm³,因此其空间节约设计能够适应单个光电组件的接线盒。组件内的每个单元线甚至可以由其中一个变频器操作。图3显示了微型变频器的电路图。

图3:带MPPT的微型变频器电路图

变频器包括4个增压线以稳定输入电流。整个逻辑电路和动力电子设备安置于单一集成电路。TDK-EPC为此设计提供了所有被动电子元件例如爱普科斯存储扼流圈以及TDK MLCC。

变频器是在增压原理的基础上组合的,因此其输出电压超过了其输入电压。为了保持输入电流恒定不变,增加组件的效能,变频器是以4个内部升压线运行的,每个升压线都有一个MOSFET开关以及一个爱普科斯表贴功率电感(B82477G4473M000)。这些存储扼流圈的电感为47 µH,恒定额定电流为2.5 A。尽管具有高性能,但是大小仅为12.8 × 12.8 × 8.0 mm³。为了改善电路的电磁兼容(EMC),存储扼流圈配备磁屏蔽。在应用电路(图3)中可以清晰地看到这些元件。

MPPT微控制器主要负责驱动四个组件串。其运行时,相位偏移90 °。这种分配使光伏模块保持高度恒定的电流负载。在逆变器输入和输出端(图3中所示的C11和C12)的滤波和缓冲电容器的额定值可以同时保持较小值。出于此原因,此处(表格)采用额定值在1和4.7μF 的TDK 片式陶瓷电容器。陶瓷电容器所采用的技术确保其较之极性元件如钽电容器或铝电解电容器等外壳尺寸更小,同时具有长工作寿命和长时间稳定性。选择元件时,较长的工作寿命是一个决定性标准,因为逆变器安装在光伏组件接线盒内,很难进行维修或更换工作。

图3中涉及的电路图的MPPT直流变频器材料表

元件生产者订购代码
C1, C2, C3, C4, C822 nF东电化C1608X7R1H223K
C111 µF东电化C3216X7R1H105K
C9220 pF东电化C1608C0G1H221J
C7470 nF东电化C1608X7R1C474K
C6, C12, C134.7 µF东电化C3225X7R1H475K
L1, L2, L3, L447 µH爱普科斯B82477G4473M003
R12.7 MΩ威世D11/CRCW0603 1M 1%
R2110 kΩ干坤RR0816R-114-DN-11
R34.3 MΩ威世D11/CRCW0603 4.3M 1%
R4110 kΩ干坤RR0816R-114-DN-11
R51 kΩ干坤RR0816R-102-DN-11
D1, D2意法半导体STPS15L60B
D3意法半导体STPS160
J35意法半导体SPV1020

意法半导体单芯片解决方案不仅合并功率场效晶体管和MPPT(最大功率点跟踪)控制器而且合并3个模拟数字转换器(ADC)。在变频器输入时,2个模拟数字转换器记录电压和电流。在这些数值的基础上微控制器计算最大功率点(MPP)。第三个模拟转换器监控输出,因为增压拓扑可以用来获取高输出电压。如果输出电压超过规定值,功率场效晶体管开关会中断。然后组件电流直接通过4个存储扼流圈和去耦二极管流向负载。图4显示了使用变频器提升光电组件效能的潜在可能。在这种情况下,组件中3个单元线通过变频器运行。这就产生了电流和电压的红色特性以及功率和电压的绿色特性。同一组件在无变频器运行的情况下的特性(橙色和蓝色)也包括在图中,以资比较。

图4:配置变频器操作与不含变频器操作的特性

使用变频器对光伏组件产生宽的多的最大功率点(MPP)区域。对比发现,无变频器的操作产生仅有一个MPP(红色线路)的蓝色特性。

总之,使用MPPT变频器极大地增加单个光伏组件以及整个装置的效能。例如,在24V不同的输出值(图5)时可以产生超过97%的变频器的效能。

图5:根据输出电压的效能

在电源和输出电压范围,联合的组件和变频器的效能仍然高于97%。

仅仅一年内就有50个新的参考设计

TDK-EPC已经强化了对意法半导体(ST)在参考设计中的支持。最近,ST完成了去年的第50个联合参考设计的开发,主要是为电源。这些设计结合ST最先进的集成电路以及革新的TDK和爱普科斯产品。集成电路生产的主要设计挑战就是选择和认证最佳的被动元件,这是能量效率设计的决定性因素。意法半导体欧洲中东和非洲区能源效率市场开发高级经理乌利奇•基兴伯格解释道:“我们的客户了解采用了合格的高性能TDK和爱普科斯产品的参考设计会在无任何进一步的设计努力的情况下可靠地工作。”因此客户能够集中精力于他们自身的核心竞争力,与加快市场上市时机以及减少开发成本同时进行。

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