CN101180781A

CN101180781A - 太阳能模块的保护电路装置

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Publication number: CN101180781A
Application number: CNA2006800177537A
Authority: CN
Inventors: 黑里贝特·施米特; 布鲁诺·比格尔
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: DE102005036153B4; EP1884008A1; DE102005036153A1; EP1884008B1; JP4999839B2; CN101180781B; EP2369708A1; WO2006125664A1; ATE509415T1; US20080198523A1; PT1884008E; US7898114B2; JP2008546183A

Abstract

本发明涉及一种用于太阳能模块的保护电路装置，其中在正常操作状态和遮蔽时工作的多个太阳能电池单元串联连接。至少一个可控电子开关元件用作旁路元件且通过其电流与多个太阳能电池单元并联连接。供电电路提供用于控制旁路元件的控制电极的电压。隔离电路阻断施加到在正常操作中的旁路元件的电流路径的电压，并当至少一个太阳能电池单元被遮蔽时将施加到电流路径的电压切到供电电路。

Description

太阳能模块的保护电路装置

本发明涉及一种用于太阳能模块(solarmodul)的保护电路装置，在该太阳能模块中，多个太阳能电池单元(solarzellen)串联连接。

太阳能模块通常为人所知，且根据图1a一般包括串联连接的提供大约0.5V～1V的单个电压Uz的电池单元。由于一个或多个电池单元的部分遮蔽，或电池单元的不同特性，特别是短路电流，遮蔽电池单元两端的电压在负载上反向。在最坏的情况，即例如在分路电池充电调节器上操作的太阳能发电机的短路情况，没有被遮蔽的所有单元的电压之和在阻断方向上降在遮蔽单元上。

以下总是与电压反向的实际原因无关地使用术语“遮蔽情况”，且对于非遮蔽操作，使用术语“正常操作”。

太阳能电池单元的允许反向电压范围从几伏到几十伏。取决于串联连接到遮蔽单元的非遮蔽单元的数量，允许的反向电压可能被超过，这会导致保护层的局部击穿和对该电池单元不可挽回的损坏。已知理想地将所谓的旁路二极管并联连接到各个单元以避免该不允许的高反向电压。这花费巨大，且仅对于特殊应用，例如太空旅行可行。因此，根据图1a，在商业上可用的太阳能模块中形成例如18～24个电池单元的子群UG_A、UG_B......UG_X，在所有情况这些电池单元被一个旁路二极管保护。这些旁路二极管通过连接点11、12连接到各子群。为了方便观看，在图1a中仅对子群UG_B示出旁路二极管。

在正常操作中，根据图1b，在旁路二极管上存在属于子群的电池单元Z₁～Z_n的电压之和，大约15V到多于20V。反向电流I_S应最小以避免损失。根据图1c，通过完全遮蔽子群内的一个或多个电池单元，该子群外的非遮蔽电池单元生成的短路电流或工作点电流I_SG流过旁路二极管2。基于所应用的二极管技术、流过的电流和二极管温度，该电流在旁路二极管2产生大约-0.4V到大于-1V的电压降U_D。从而在最坏的情况，位于相关联子群内的所有非遮蔽单元的所有电压之和加上旁路二极管上的该电压降，降在遮蔽单元上。

选择组成子群的电池单元的数量，使得在最坏的情况被遮蔽的单个单元的允许反向电压不被超过。这导致每个子群内电池单元的典型数量为大约18～24个。

因此对于已知的旁路二极管产生以下操作情况：

在图1b表示的正常操作中，在旁路二极管的阻断方向上存在一般为大约+15V～+20V的组成子群的电池单元的电压。在图1c表示的相关联子群内的单元被完全遮蔽的情况下，太阳能发电机电流I_SG流过旁路二极管并产生大约-0.4V到大于-1V的电压降U_D。为了简化，在以下说明中假定出现+20V的反向电压和-0.6V的正向电压，也可出现其它值。

旁路二极管通常容纳在触点盒中，该触点盒连接到太阳能模块，从而暴露于大约-20℃到多于85℃的周围温度。一般用于两个或三个子群UG_A、UG_B和UG_C的两个或三个二极管容纳在盒中。此外可并联连接一些旁路二极管以增大允许的太阳能发电机电流I_SG。

在遮蔽的情况，在现有技术中应用的旁路二极管中出现相对大的功率损耗。该功率损耗可被二极管短时间内毫无问题地接受，但是对于持续时间长的遮蔽，难以将出现的热量从二极管引走并引出触点盒。因此，应另外地考虑如下事实：最大的负载，即最大的太阳能电流通常与周围环境和模块的高温同时出现。随着太阳能电池单元尺寸增加，该问题加剧，因为这提供了与电池面积成比例的增大的短路电流或额定电流。

因此本发明的一个目的是提供一种用于太阳能模块的保护电路装置，该保护电路装置呈现旁路二极管的功能，其产生很少的功率损耗并以简单方式构造，且确保较大和持续的可靠性。

根据本发明，通过独立权利要求的特征实现该目的。

通过提供其电流路径可与多个太阳能电池单元并联连接的用作旁路元件的可控电开关元件，以及供电电路准备激活控制电极的控制电压，提供可容易地承担遮蔽单元的短路电流或工作点电流的旁路电路。可控旁路元件在其功能上通过供电电压控制，从而几乎不出现功率损耗。由于持续提供的隔离电路，在太阳能电池单元的正常操作中，在开关元件到供电电路的电流路径上存在的电压可能被阻断，然而在遮蔽的情况下，隔离电路连接通到供电电路的该电流路径上存在的电压。

通过在从属权利要求中说明的措施可进行其它有利的设计和改进。

将供电电路设计成能量贮藏器的充电电路或包括该充电电路特别有利，该充电电路将在遮蔽的情况下可用的电压增大到更高的电压以激活可控旁路元件。通过这种方式，在遮蔽的情况下电流路径上可用的-0.6V的供电电压可用来激活可控旁路元件，且根据情况还可对其它电路供电。

在有利的方式中将可控旁路元件设计成MOS场效应晶体管(MOSFET)，其中MOSFET内固有的体二极管可短时间完全承担太阳能发电机电流，且可永久用作具有更小的太阳能发电机电流的旁路二极管。

在有利的方式中可控旁路元件的固有电容、所应用的MOSFET的栅极电容用作供电电路或充电电路的能量贮藏器，因此不需要额外的存储构件。

在特别有利的方式中，将隔离电路设计成反向工作的双极晶体管，因为其在正常情况中通常在共集电极电路中工作且从而可阻断在正常操作中出现的20V的正漏源电压。

将隔离电路设计成场效应晶体管，优选地设计成自导(selbst leitenden)J-FET是有利的，因为其具有低导通电阻，因此随后电路几乎没有损失地连接到旁路元件的电流路径的电压、MOSFET的漏源电压。

在有利的方式中供电电路和/或充电电路包括具有正反馈绕组的变压器和第一电开关元件，其中所述开关元件和变压器执行与阻塞振荡器相似的快速转移，通过该快速转移存储在变压器中的能量被发送到能量贮藏器，例如栅极电容。由于该措施，可在大约0.6V的遮蔽的情况下从该低电压产生大约5V的高电压，其中对栅极电容器充电所需的能量可快速、优选地以单时钟脉冲发送。

在特别有利的方式中，以反向方式接通第一电开关元件，从而其同时形成隔离电路且对于隔离不需要额外构件。

可以如下方式控制可控旁路元件，通过提供连接到可控旁路元件的控制电极的第一放电电路，使得功率损耗小且形成的热量低，其中选择放电电路的时间常数，使得旁路元件的导电时间与不导电时间比值大，优选地大于5。

将第一放电电路设计成以非线性方式工作且在高于阈值电压时具有高阻抗，在低于阈值电压时具有低阻抗的有源放电电路(active dischargecircuit)是有利的，其中通过完全激活旁路开关元件所需的所述旁路开关元件的控制电极的电压确定所述阈值电压。这样可进一步减小MOSFET内出现的功率损耗。

以自导J-FET实现第一放电电路特别有利，该第一放电电路在正常操作中将旁路开关元件的控制电极连接到参考电位，从而防止旁路开关元件的不期望的导通，在遮蔽情况下该第一放电电路与二极管组、电容器和放电电阻器一起形成在限定时间后周期性关断旁路开关元件的时间元件。通过这种方式，可一直以最优方式对在连通状态中的旁路开关元件的控制电极进行充电，这样可进一步减小功率损耗。

在图中示出了本发明的实施例例子，在随后说明中对其进行更详细说明。在附图中：

图1根据现有技术的太阳能电池单元和旁路二极管的电路连接，以及在正常操作中的二极管电压和在遮蔽情况下的二极管电压，

图2根据本发明的保护电路装置的框图，

图3根据本发明的保护电路装置关于电路连接的第一设计，

图4可控旁路元件的漏源电压的时间过程，

图5栅源电压的时间过程，

图6根据本发明的开关装置关于电路连接的第二设计，以及

图7根据本发明的开关装置关于电路连接的第三设计，

图8本发明关于电路连接的第四设计，以及

图9可控旁路元件的栅源电压和自导J-FET的栅源电压的时间过程以及可控旁路元件的漏源电压的时间过程。

图2中所示的作为基本构件的保护电路装置包括MOS场效应晶体管1，该场效应晶体管1是稍后更详细说明的开关单元30的构件。作为电流或开关路径的漏源路径位于连接到太阳能模块的太阳能电池单元的串联电路的连接11和12之间。在正常操作中，20V的正电压位于漏源路径上，而在遮蔽情况，存在0.6V的负漏源电压。MOSFET 1的固有体二极管在2示出。隔离电路40在一方面连接到MOSFET 1的漏极连接，另一方面连接到供电电路和/或充电电路50(以下主要谈及充电电路)，其中隔离电路40在正常操作中必须阻断高达大约20V的正漏源电压，而在遮蔽情况其必须在损失尽可能少的情况下将0.6V或更少的低的负电压引到随后的充电电路50。

充电电路50将在遮蔽情况中隔离电路40后可用的低的负直流电压转换成激活MOSFET 1和/或对其它电路部件供电所需的更高的正电压。因此，可应用基于在扼流圈或变压器以及电容地操作的充电泵中的中间能量存储的概念，稍后说明优选实施例。所转换的电压被中间存储在能量贮藏器60中，此处将其示为电容器，其中以特别有利的方式，MOSFET 1的栅极电容直接用作能量贮藏器。

通过定时器开关80以时间依赖方式激活MOSFET 1的栅极G，其中在周期时间的最大部分激活MOSFET以减小功率损耗，根据情况该MOSFET在较短时间段以线性方式工作，且在较短时间段被完全阻断。MOSFET 1的旁路电流然后流过体二极管2。对于根据图3、6和7的保护电路，根据图5，MOSFET的栅极电容在头两个时间范围放电，而在第三时间范围的末尾通过充电电路充电。对于根据图8的保护电路，根据图9放电仅在时间区域2和3进行，在第四时间区域的末尾再次通过充电电路对电容充电。

优选地，提供比较器70，该比较器70监控漏源电压并在允许的情况下对逻辑电路90给出信号，该逻辑电路同样地也获得定时器电路的信号。比较器电路70的监控标准例如是MOSFET 1的漏源电压的极性和幅度。驱动器电路100像连接到所有其它电路一样连接到供电电路或充电电路50，该驱动器电路100基于逻辑电路的信号控制MOSFET 1的栅极。

引用图2中所示的功能块以改善该概图，且应认识到在其它实施例例子中所有功能块不必单独存在，且该功能块所设置的一些功能可组合在一起形成构件。

图3示出具有分离构件的根据本发明的保护电路装置的第一实施例例子，其中以虚线方式部分地绘出功能块。如同已经指出的，开关单元30包括具有体二极管2和固有的栅极电容3的MOSFET 1。第一齐纳二极管7在正向方向通过连接到连接12的参考电位导线连接到栅极连接。该二极管用来将栅极电压限制到例如15V的允许值。晶体管9使用其电流路径连接在参考电位32和栅极控制导线31之间，且该晶体管的基极通过高阻抗电阻器10连接到MOSFET 1的漏极连接。另一电容器8与晶体管9的电流路径并联布置，且串联电阻器6在控制导线31上连接在电容器8和第一齐纳二极管7之间。二极管13和第二齐纳二极管14位于漏极连接和栅极控制导线31之间。

另一二极管4可与MOSFET 1的固有体二极管2并联设置，且该二极管引导部分旁路电流或当MOSFET 1关断时引导全部旁路电流。

过电压保护元件5，例如可变电阻器或瞬变电压抑制二极管(trans-zorbdiode)与MOSFET 1并联布置，并限制极高的短时电压脉冲。

通过该保护电路保护具有固有体二极管2的MOSFET不受漏源路径和栅源路径上的过高电压的损害。而且，在转换到正常操作时，即在正漏源电压的情况，需要快速关断，且应防止正常操作中MOSFET的不期望的导通。

对于正漏源电压，即转换到正常操作，晶体管9通过高阻抗基极串联电阻器10被完全激活，且通过低阻抗串联电阻器6非常快速地使MOSFET 1的栅极电容3放电(正反馈)。在正常操作中晶体管继续将串联电阻器6上的栅源电压保持为几乎0V。通过这种方式可靠地防止了例如外部感应的栅极电压导致的不期望的导通。在正常操作中通过基极串联电阻10流走的损耗电流较小，可以忽略。

基本上，MOSFET在一定程度上抗雪崩，即在短时间超过最大允许的漏源电压，即大于60V时，对于指定为40V的MOSFET，MOSFET变得导电并限制电压峰值，并不呈现损坏状态。然而对于该工作类型，可能会离开可靠的工作范围，构件所承受的压力增大。为此，在出现过电压时，通过齐纳二极管14和二极管13有目的地通过其栅源路径激活MOSFET，其中在超过齐纳二极管14的齐纳电压时，栅极上升到正电位且MOSFET 1在线性范围工作。为了能够通过导电晶体管9建立正栅极电压串联电阻器6是必需的。

通过串联电阻器6与固有栅极电容3并联连接的电容器8一般比栅极电容3具有更大的电容，电容器8降低电路对干扰的灵敏度。有利地电容连接在远离栅极的串联电阻器6侧，因为这样在瞬态过电压的情况下，仅相对低的栅极电容3需要通过齐纳二极管14和二极管13被充电。

如上面已经指出的，隔离电路40的任务是在正常操作中将20V的正漏源电压与随后的电路隔离，并在遮蔽的情况将0.6V的负漏源电压引到随后电路部件。图3所示的隔离电路40包括自导n沟道结型场效应管(J-FET)28，其源极连接到MOSFET 1的漏极连接，漏极连接到随后的供电电路或充电电路50，且其栅极通过高阻抗栅极电阻器29连接到参考电位导线32。该电阻器29在如在遮蔽情况中出现的、大于0.5V的正栅漏电压或栅源电压的情况下限制通过栅极二极管的电流。为进行阻断，低阻抗J-FET 28需要大约5V的栅极电压，该电压相对于漏极以及源极为负。这在正常操作中对于源栅路径以直接方式实现。相反，对于漏栅路径，仅当漏极电位呈现正值时才实现。需要随后的供电电路和充电电路50容纳大约5V的J-FET的阈值电压的幅值的反向电压。该特殊的特性通过以下所说明的充电电路50来确保。

代替所述的J-FET 28，可采用自导MOSFET，其具有相似的特性，然而不需要通过电阻器29的电流限制，因为栅极绝缘一般可容纳±20V。

供电电路和/或充电电路50的任务是将0.6V的负输入电压转换成足以激活MOSFET的例如15V的正输出电压。在考虑MOSFET 1的体二极管2上的降随着温度升高而减小的电压降以及隔离电路40中可能出现的电压降时，必须确保小于0.4V的安全的开始电压。充电电路必须非常坚固且花费很少地制成。另外，该充电电路还呈现比较器70的功能，以及图2的定时器电路和驱动器电路80、100的部分功能。

根据图3的充电电路50包括在发射极电路工作的晶体管24，且其发射极连接到J-FET 28的漏极连接，其集电极连接到变压器20的一次绕组21。晶体管24的基极通过串联电阻器25连接到正反馈绕组22。输出绕组21′与一次绕组21串联布置，通过这种方式变压器20可作为自耦变压器连接。晶体管24的集电极连接在一次绕组21和输出绕组21′之间。输出绕组21′通过整流二极管23和串联电阻器6连接到栅极电容3或直接连接到另外的电容器8。另一二极管23′将一次绕组的末端连接到另外的电容器8。

另外，充电电路50包括晶体管26，其发射极连接到J-FET 28的漏极连接，其集电极连接在二极管3和串联电阻器6之间，其基极通过串联电阻器27连接到正反馈绕组22的连接。

放电电阻器81可以是定时器电路80′的构件，连接在参考电位导线32和栅极控制导线31之间。

参照根据图4和图5的依赖时间的电压过程来说明特别是供电电路或充电电路的工作方式以及MOSFET 1的开关特性。给定遮蔽和导通的MOSFET 1，基于MOSFET 1的导通电阻(R_DSon)和瞬时太阳能发电机电流，若干毫伏，例如-30mV的负电压降在漏源路径上。在图4中的区域(1)示出该情况。由于通过隔离电路40提供的电压不足，供电电路50因此不起作用。放电电阻器81缓慢地，例如在100ms内(区域(1))使根据图4被充电到例如15V的MOSFET 1的栅极电容3放电。如果通过例如5V的栅源电压达到了MOSFET 1的阈值电压，则从完全激活区域进入线性区域(区域(2))，且根据图4漏源电压缓慢增加。在不通过以下说明的充电电路50对栅源电容3重充电的情况下，MOSFET 1将进入完全阻断状态，在这种情况下的太阳能发电机电流完全流过体二极管2，同时具有大约0.4V到大约1V的负电压降。

通过导线34和参考电位导线32，即隔离电路40的漏极连接，之间的大约0.3V～0.4V的电压，足够大的基极电流在晶体管24中流动，从而造成显著的集电极电流，以及流过变压器20的一次绕组21的电流。这样，在正反馈绕组22中感应生成电压，该电压根据绕组方向加到导线32和34之间的电压上，从而放大基极电流，通过这种方式开始快速转移。晶体管24变得完全导电，且根据一次绕组21的电感并根据存在于一次绕组上的电压，生成短时间增大的一次电流，其中所述一次绕组上的电压实质上对应于导线32和34之间存在的电压。

如果变压器20的芯进入饱和状态，或如果晶体管24的基极电流不再足以完全激活，则正反馈反向且晶体管24被突然阻断。存储在变压器电感中的能量通过一次绕组21以及输出绕组21′被传送到栅极电容3以及另外的电容器8。这可在图4和5的区域(3)的末尾或区域(1)的开头被识别出。MOSFET 1因此导通，且如上所述根据其内部阻抗仅具有若干毫伏的负电压降。然后充电电路50没有被提供足够的电压，因此不起作用。将变压器20的尺寸设计成使得存储其中的能量以一个变压器时钟足以将栅极电容3或电容器8充电到例如15V的额定值。

对于实际的变压器，不可避免的变压器绕组21的漏感以及晶体管24的快速关断导致晶体管24的过电压峰值，这会毁坏该晶体管。二极管23′防止该峰值，这是因为其允许在关断时刻变压器绕组中流动的电流流入还没有被充电的电容器中。

应再次指出“时钟”总是与充电电路50相关，且术语“周期”总是与整个电路相关。充电周期包括两个阶段：以上已经说明了第一阶段，其开始并在完整的整个周期的区域(3)的持续时间上延伸。快速转移本身仅持续若干μs，时间的主要部分在于直到区域(3)末尾的电流的“缓慢”上升。然后开始第二时钟阶段，在其中能量从变压器被发送到电容。该过程位于下降波前(Flanke)，部分地位于区域(3)和下一个周期的区域(1)。然而该充电过程作为整体也仅持续若干μs。

如从上述工作方式可见，具有基极发射极路径的晶体管24除了开关功能之外还呈现图2的比较器70的功能，即仅当存在的漏源电压足够大时晶体管24才工作。有利地，晶体管24因此热耦合到MOSFET 1。因为该两个构件基于硅技术，体二极管的正向电压以及基极发射极二极管的正向电压方向相同，因此可在所有温度确保电路的安全工作。

如果例如由于隔离电路40的内部电阻，MOSFET的负漏源电压或提供给充电电路50的电压不足够大，区域给出的上述快速转移或变压器时钟不一定以完整方式按照其自身过程进行。因此特别地对于小的太阳能发电机电流，MOSFET 1的栅极电容3或电容器8可能不会被完全充电。

为了进一步确保该保护电路装置的稳定操作，当开始快速转移时，MOSFET 1的栅极通过当时导通的晶体管26非常快速地放电，如从图5区域(3)可见。MOSFET 1暂时阻断，且根据图4漏源电压从作为快速转移的阈值的大约-0.4V非常快速地增大到作为体二极管2的正向电压的大约-0.6V。因此，通过晶体管26出现另外的正反馈。在变压器时钟的第二阶段，通过正反馈绕组22的负电压完全阻断晶体管26，从而栅极电容3或电容器8可被充电。

根据图4和图5，根据图3的电路的整个周期包括MOSFET 1被完全激活的第一长阶段(100ms)、MOSFET 1进入线性区域并且漏源电压缓慢增加到大约-0.4V的第二短阶段(20ms)，以及通过正反馈电路MOSFET 1被短时间(例如1ms)完全关断的第三短阶段。然而在第二和第三阶段出现的热量不代表出现问题，且以传统方式可以将其引走。

如上已经多次指出的，在模块的正常操作中，MOSFET的漏源电压上升到大约15V到大约20V的正值。为了使在隔离电路40中应用的J-FET 28阻断，相对于其栅极连接，其漏极连接以及其源极连接必须是正5V，否则不允许的漏电流会流入充电电路50。由于对于根据图3的电路，晶体管24和26的发射极基极路径的正电压在阻断方向上位于导线34，且其还可容纳高达大约5V的反向电压，因此J-FET 28的漏极电位可增大到5V，且因此可如所期望的那样完全阻断J-FET 28。

图6示出图3所示的电路的简化的其它实施例例子，可通过将隔离电路40和供电电路或充电电路50的晶体管24的功能组合在一起来实现该实施例。另外，可应用根据图3的电路和根据图4和图5的电压图。

如图所示，晶体管24以反向方式工作。如果使用双极晶体管，发射极和集电极被交换，基本晶体管特性保持，但是在反向工作中电流放大率减小约30倍。通过适当的低阻抗基极串联电阻25考虑该特性。在实际中，在特定情况下，正反馈绕组22的欧姆阻抗已足以限制电流，因此不需要应用构件25。晶体管24的反向工作带来如下巨大好处：该晶体管在集电极电路在太阳能模块的正常操作中工作，其基极以及集电极关于直流电压位于参考电位32。该晶体管在该工作模式中可以没有任何问题地容纳出现的20V的电压，且还可应用更能够耐受任何过电压脉冲的耐压的晶体管类型。由于在该工作情况中用作反馈的正反馈绕组，供电电路或充电电路的振荡被排除。

晶体管26继续以传统方式工作，且其功能对应于图3的功能。然而其发射极连接到晶体管24的发射极。这样，在晶体管24的连通状态，MOSFET1的栅极可通过晶体管26快速放电，其中通过这种电路连接，不需要在MOSFET 1的导电阶段以及模块的正常操作中容纳任何负反向电压。

如上所述，对于对应于图3和图6的电路，以单时钟脉冲，即变压器20和晶体管24的单次快速转移来发送对栅极电容3或电容8充电所需的能量。然而充电电路还可以多个时钟脉冲发送能量，其中MOSFET 1的栅极电容或能量贮藏器以多个时钟脉冲充电，且然后关断。

最后，原则上还可通过对例如基极串联电阻25的恰当的尺寸确定来施加栅极电容或电容器8的上述不完全的充电过程，以得到MOSFET 1的永久线性区域。在该工作模式中，晶体管24用作漏源电压的调节器。这种情况下MOSFET 1没有被完全激活，然而保持为通过晶体管24线性工作的调节器。因此，在遮蔽的情况，大约0.3V到0.4V的负电压降在漏源路径上，这足以使供电电路或充电电路50继续运行。通过该概念，MOSFET 1内的损失大于完全连通的MOSFET内的损失。然而，有利的是通过该线性工作的MOSFET在太阳能发电机电压或太阳能发电机电流中不出现跃变。

为了进一步减小MOSFET 1内出现的功率损耗，可阻止与图4和图5中的区域(2)相对应的MOSFET的线性区域中的暂时工作。图7示出该电路，该电路与根据图3或图6的电路不同之处在于80″所示的放电电路。对于根据图3和图6的电路，MOSFET 1的关断时间点由其栅极电容3、根据情况可能存在的电容器8以及放电电阻81形成的时间元件确定。代替放电电阻81，应用以非线性方式工作的有源栅极放电电路。这具有如下特性：在特定阈值电压之上具有高阻抗，当低于该阈值电压时具有显著较低的阻抗。具有该特性的电路可例如通过施密特触发电路实现。如果将该触发电路的快速转移点，即栅极放电电路80″的快速转移阈值施加到大于完全激活MOSFET所需的最高栅极电压，例如6V或更大，则其在充电电路50充电后将首先快速减小并触发新的充电时钟脉冲。避免了图4和图5中区域(2)所示的线性区域中MOSFET 1的工作，且通过这样的电路进一步减小功率损耗。

对于该电路80″，小信号MOSFET 87连接在栅极控制导线31和参考电位导线32之间，其栅极连接被连接到晶体管83的集电极，晶体管83的发射极又位于参考电位32。基极连接被连接到栅极控制导线31和参考控制导线32之间的分压器84、85。最后，电阻器86连接在导线31和MOSFET87的栅极连接之间。电容器88从晶体管83的集电极连接被连接到前馈绕组22。

通过MOSFET 1的高栅极电压，经由分压器84、85晶体管83被完全激活。其集电极电位，从而MOSFET 87的栅极电位接近该参考电位32，从而MOSFET 87阻断。

MOSFET 1的栅极电容3以及电容器8通过高阻抗电阻84、85以及86被缓慢放电。如果MOSFET 1的栅极电压降到最小值以下，则晶体管83开始阻断，且MOSFET 87的栅极电压上升。如果对于小信号MOSFET 87达到其例如大约1...2V的阈值电压，则其漏源电压变成低阻抗，且栅极电容3或电容器8被快速放电。这样晶体管83的基极电流进一步减小，且开始快速转移。因为从MOSFET 1的特定漏源电压，供电电路或充电电路50开始如上所述工作，促进了该快速转移。因此，正反馈绕组22的电压在第一时钟脉冲部分增大到正值。该增大通过耦合电容器88被转移到MOSFET 87的栅极，通过这种方式再次加强正反馈过程，且栅极电容3或电容器8被完全放电。这样MOSFET 1被非常快速地完全阻断。

由于通过电容器88的另外的正反馈，可去除在晶体管26和串联电阻27上的正反馈分支。

在充电时钟脉冲的第二阶段，MOSFET 87通过电容器88传送的正反馈绕组22的负电压跃变而被完全阻断，因此栅极电容3或电阻器8可再次充电。

图8示出了该保护电路的另一特别有利的设计。其实质上对应于根据图6的电路，其中移除了晶体管以及串联电阻10，并且无源放电电路80′被有源放电电路80代替。

有源放电电路80的关键在于自导J-FET 81′。另一方面，其代替了晶体管9以及串联电阻器10，因为在太阳能模块的正常操作中，其通过串联电阻器6将MOSFET 1的栅极、以及变压器的绕组21′和21连接到参考电位导线32。可通过这种方式安全地防止外部感应生成的栅极电压或二极管12和14的漏电流所导致的不期望的MOSFET 1的导通。另一方面，根据图9其允许MOSFET 1的最佳激活，这导致旁路开关元件中的功率损耗进一步减小。

与前述电路相比，在根据图8的电路中，在充电过程后不通过电阻使MOSFET 1的栅极放电，而根据图9栅极电压U_GS在整个时间段1中保持其完全值。这样此时的MOSFET阻抗非常低，且因此功率损耗小。通过电容器82′和电阻84′形成的定时器的时间常数确定MOSFET 1的关断时间点。在时间段4末尾电容器8和3的充电阶段，也通过二极管83′将电容器82′充电到三个绕组21、21′和22的电压之和，在该例子中是17.5V。如果绕组21和21′的电压在变压器20的退磁后跳回零，则J-FET 81′的栅极电位跳回值-17.5V。然后J-FET被完全阻断，且在理想情况不再有电荷从电容器8和3流走。在例如100ms内通过电阻器84′对电容器82′缓慢放电。如果J-FET 81′的栅极电压达到其阈值电压(在该例子中是-2V)，则J-FET变为低阻抗，且通过绕组21′和21使电容器8和3放电，通过这种方式MOSFET 1的栅极电压U_GS非常快速下降，如图9中的时间部分2所示，如果该电压降到MOSFET 1的阈值电压以下，则MOSFET 1开始阻断，且根据图9的部分3其漏源电压U_DS快速上升。如果达到约-0.4V的值，则如参照前述电路所述，开始充电电路50的快速转移，以及通过晶体管26的电容器8和3的非常快速的放电。随后是部分4，在其中晶体管24完全导通且能量存储在变压器20中。在该部分的末尾对电容器8和3以及82′进行再充电。

与其它电路相比，由于在较大部分周期时间MOSFET 1完全激活且在阻断情况中的时间段占据少于1％的周期时间，因此根据图8的电路的功率损耗再次减小。

当然上述电路都可通过互补半导体型来构造。

除了作为低损耗旁路元件的功能之外，在检查时或发生火灾的情况，作为其另外的功能MOSFET还可以承担安装时太阳能发电机电压的短接。为此，通过例如控制导线，太阳能发电机内的所有MOSFET的栅极连接都承受控制电压，因此各个模块的电压被短路。因此可与带电部件或到太阳能发电机的导线接触，而没有危险。

Claims

1.一种用于太阳能模块的保护电路装置，在该太阳能模块中多个太阳能电池单元串联连接，其中一些电池单元在正常操作状态工作，一些电池单元同时在遮蔽情况工作，该保护电路装置具有：至少一个用作旁路元件的可控电子开关元件(1)，其电流路径可与多个太阳能电池单元并联连接；供电电路(50)，用于准备激活所述旁路元件(1)的控制电极的控制电压；隔离电路(40)，用于阻断到所述供电电路(50)的、正常操作下的旁路元件的电流路径上的电压，并将在遮蔽情况中至少一个太阳能电池单元的电流路径上的电压接通到所述供电电路(50)。

2.根据权利要求1所述的保护电路装置，其中将所述供电电路设计成用于能量贮藏器(3、8、60)的充电电路(50)，该充电电路将在遮蔽情况可用的电压转换成更高的电压来激活所述可控旁路元件。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的保护电路装置，其中将所述可控旁路元件(1)设计成MOS场效应晶体管。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的保护电路装置，其中将所述能量贮藏器设计成电容器(8)和/或所述可控旁路元件(1)内固有的电容(3)。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的保护电路装置，其中将所述隔离电路(40)设计成场效应晶体管，优选地设计成J-FET或MOSFET。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的保护电路装置，其中将所述隔离电路设计成反向工作的双极晶体管。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的保护电路装置，其中提供定时器电路(80)，其设置定时周期，而所述可控旁路元件(1)在第一时间区域完全连通，在第二时间区域完全阻断，其中在第二时间区域对所述能量贮藏器(3、8、60)充电。

8.根据权利要求7所述的保护电路装置，其中所述时间周期包括位于所述第一和所述第二时间区域之间的第三时间区域，在所述第三时间区域所述可控旁路元件(1)在线性状态工作。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的保护电路装置，其中所述供电电路或充电电路(50)包括调整电路(24)，通过该调整电路所述可控旁路元件可连续在线性状态工作。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的保护电路装置，其中所述供电电路或充电电路(50)包括变压器或至少一个线圈或至少一个电容器来中间存储能量，以升高在关断情况可用的电压，产生激活所述可控旁路元件(1)所需的电压。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的保护电路装置，其中所述供电电路(50)包括具有正反馈绕组(22)的变压器(20)和第一电开关元件(24)，其中所述开关元件和所述变压器(20)执行与自阻塞振荡器相似的快速转移，从而将存储在所述变压器(20)中的能量传送到所述能量贮藏器(3、8、60)中。

12.根据权利要求11所述的保护电路装置，其中所述第一电开关元件(24)反向工作，同时形成所述隔离电路(40)。

13.根据权利要求11或12所述的保护电路装置，其中与自耦变压器相似的另外的输出绕组(21′)与所述一次绕组(21)串联连接。

14.根据权利要求11～13中任一项所述的保护电路装置，其中所述开关元件(24)的电流路径与所述一次绕组(21)串联布置，且所述正反馈绕组(22)连接到所述第一开关元件(24)的所述控制电极。

15.根据权利要求1～14中任一项所述的保护电路装置，其中所述可控旁路元件(1)的所述控制电极连接到第一放电电路(80′、80″、80)，其中选择所述第一放电电路的时间常数使得所述旁路元件(1)的导电时间与不导电时间之比值大，优选地＞5。

16.根据权利要求15所述的保护电路装置，其中所述第一放电电路具有电阻器(81)，该电阻器与所述旁路元件(1)的所述固有电容(3)并联连接，且根据情况与并联连接到该固有电容的电容器(8)并联连接。

17.根据权利要求11～16中任一项所述的保护电路装置，其中所述供电电路(50)包括快速放电电路(26)，随着快速转移的开始，该放电电路使所述固有电容(3)快速放电，并根据情况使并联连接的所述另外的电容器(8)快速放电。

18.根据权利要求17所述的保护电路装置，其中所述快速放电电路包括第二电开关元件(26)，其控制电极连接到所述正反馈绕组且其从所述旁路元件(1)的所述控制电极的连接开始的电流路径与所述第一电开关元件(24)的开关并联布置或串联布置。

19.根据权利要求15所述的保护电路装置，其中将所述第一放电电路(80″)设计成非线性地工作的有源放电电路，该有源放电电路在高于阈值电压时具有高阻抗，在低于所述阈值电压时具有低阻抗，其中所述阈值电压由在所述旁路开关元件(1)的控制电极上完全激活所述旁路开关元件(1)所需的电压确定。

20.根据权利要求19所述的保护电路装置，其中将所述第一放电电路(80″)设计成施密特触发电路。

21.根据权利要求15所述的保护电路装置，其中所述第一放电电路(80)包括自导J-FET和二极管(83′)、电容器(82′)和放电电阻器(83′)的网络，其中所述电容器(82′)和放电电阻器(83′)形成用于在限定时间后周期性关断所述旁路开关元件的时间元件。

22.根据权利要求1～21中任一项所述的保护电路装置，其中将关于电压以及不期望的接通的保护电路(30)分配到所述可控旁路元件。

23.根据权利要求1～22中任一项所述的保护电路装置，其中为进行检查或在火灾的情况下使所述太阳能模块短路，对所述旁路元件的控制电极施加电压使得所述旁路元件导通。