CN102130630B - 太阳模组的并联保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种太阳模组的并联保护电路，包括一个用于电流反向限制的场效应管、一个用于驱动场效应管的驱动模组及一个用于防止场效应管栅极高压击穿的保护模组，其中驱动模组与保护模组相串联构成并联保护电路的控制模块，与太阳模组输出的两极相并联，且场效应管的栅极接入驱动模组与保护模组之间，源极与太阳模组的负极相连，漏极与太阳模组的正极构成受保护后太阳模组的输出两极；保护模组可选电阻、二极管串或稳压二极管等。应用本发明的一种新型并联保护电路，使得太阳模组保护电路损耗大大降低，增加了太阳能电池在清晨、傍晚及阴雨天环境下的发电能力，并且本发明结构简单，通用性强，成本低廉，对太阳能应用的推广起到促进作用。

Description

太阳模组的并联保护电路
技术领域
本发明涉及一种太阳能应用模组的电路设计，尤其涉及一种防止电流倒灌损伤太阳模组、提升太阳模组输出功率和故障检测指示模块的并联保护电路。
背景技术
太阳能作为一种可再生新能源越来越受到人们的青睐，在人们日常生活、工作中有广泛的应用。其中最直接的应用就是将太阳能转换为电能，通过太阳能电池白天接收太阳的辐射能并进行转换、输出，而清晨、傍晚或阴雨天由于光照辐射的减弱，太阳能电池的输出电压降低，如果没有太阳能电池的保护电路，输出线路中由蓄电池存储或由其它电源提供的补充电流会倒流至太阳能电池导致其寿命缩短以及电能的浪费。
同时，在多块太阳能电池并联运作的情况下：由于每块电池处于不同的地理位置，因此受到光照的情况不同，被遮挡的情况也不同，再加上如果有部分电池受到损坏，这些情况都会导致部分太阳能电池输出电压低甚至无输出，如果没有保护电路，电流就会倒流到那些输出电压低或者无输出的太阳能电池，从而造成电力的损耗并损坏那些受到遮挡的太阳能电池。因此必须在太阳能电池输出采取保护措施，防止电流倒灌(如图1所示)。
尽管已有的公开技术认识到了该问题的严重性，并且相应提出了一些解决办法。但该些解决办法由于普遍采用了运算放大器、微处理器芯片等需要外部能源驱动且价值不菲的部件作为保护电路必不可少的组成单元，以及通常情况下太阳能电池的输出电压要高于该些部件的驱动电源，因而一定程度上限制了对保护电路中其它部分的驱动性能，且使得太阳模组保护的成本大大提高。
同样目前较为普遍的一种应用做法是：太阳能电池上连接的保护器件通常采用一个二极管，利用二极管正向导电，反向不导电的工作原理来阻止电流倒流，同时也避免了电能浪费。但是由于二极管的正向压降为0.7V，导致输出电压和效率降低了，并且由于太阳能电池输出有效电压的降低，缩短了白天有效发电的时间，使得太阳能实际输出功率大幅降低。根据对12V太阳能电池的测算，每年发电量将损失11％左右，提高了太阳能光伏发电成本，因而限制了新能源的推广。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种太阳模组的并联保护电路，以增加太阳模组在夜间或阴雨天的发电能力及能效，并降低保护电路的应用成本。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述并联保护电路包括一个用于电流反向限制的场效应管、一个用于驱动场效应管的驱动模组及一个用于防止场效应管栅极高压击穿的保护模组，其中所述驱动模组与保护模组相串联构成并联保护电路的控制模块，与太阳模组输出的两极相并联，且所述场效应管的栅极接入驱动模组与保护模组之间，源极与所述太阳模组的负极相连，漏极与所述太阳模组的正极构成受保护后太阳模组的输出两极；所述保护模组至少包括电阻、电阻串、二极管、二极管串或稳压二极管中的一种或几种组合。
进一步地，所述控制模块的组成结构包括作为驱动模组的一个电阻C和作为保护模组的一个电阻H1，且所述两电阻的取值关系满足RH1∶RC＝UG∶(UPV-UG)，其中UG为场效应管的栅极驱动电压，UPV为太阳模组的输出电压。
进一步地，所述控制模块的组成结构包括作为驱动模组的一个电阻C和作为保护模组的二极管串H2，且所述二极管串H2中所含二极管的数量匹配场效应管的栅极驱动电压相对单个二极管压降的倍数。
进一步地，所述控制模块的组成结构包括作为驱动模组的一个电阻C和作为保护模组的一个稳压二极管H3，且所述稳压二极管的稳压值介于场效应管的栅极驱动电压和栅极击穿电压之间。
再者，所述并联保护电路还包括有故障检测指示模块。
其可以是一个发光二极管，正向跨接在场效应管源、漏两极之间；
也可以是一个由三极管驱动的发光二极管，其中三极管的基极、发射极分别与场效应管的源极、漏极相连，且发光二极管反向跨接在三极管集电极与太阳模组的正极之间。
还可以基于一个三极管，该三极管的基极、发射机分别与场效应管的源极、漏极相连，且三极管的集电极外接为测试输出。
本发明提出的一种新型并联保护电路，使得太阳模组损耗大大降低，增加了太阳能电池的能效。提高冗余度和输出功率的同时，更提高了太阳能电池在清晨、傍晚及阴雨天环境下的发电能力，并且本发明结构简单，通用性强，成本低廉，对太阳能应用的推广起到促进作用。
附图说明
图1是多块太阳模组并联同时运作的拓扑结构示意图；
图2是本发明并联保护电路的原理框图；
图3a是本发明并联保护电路一种实施例的电路简图；
图3b是本发明并联保护电路另一种实施例的电路简图；
图3c是本发明并联保护电路又一种实施例的电路简图；
图4是图2所示进一步功能演进的原理框图；
图5a是图4所示故障检测指示模块一种实施的电路结构图；
图5b是图4所示故障检测指示模块另一种实施的电路结构图；
图5c是图4所示故障检测指示模块又一种实施的电路结构图。
具体实施方式
本发明设计了一种新型太阳模组(或太阳能电池)保护电路，包括一个用于起到电流反向限制作用的场效应管，以及一个控制模块，而该控制模块包括用于驱动场效应管的驱动模组及用于防止场效应管栅极电压过高的保护模组。其具体电路连接关系为：其中该驱动模组与保护模组相串联构成并联保护电路的控制模块，与太阳模组输出的两极相并联，且场效应管的栅极接入驱动模组与保护模组之间，源极与所述太阳模组的负极相连，漏极与所述太阳模组的正极构成受保护后太阳模组的输出两极(如图2所示)。所述保护模组至少包括电阻、电阻串、二极管、二极管串或稳压二极管中的一种或几种组合。由图示可见：处于正常工作状态的太阳模组PV，其正极和负极具有一个正向压降，该压降加于整个控制模块的两端，通过控制模块的驱动模组加到场效应管的栅极，使场效应管正向导通，允许电流从输出负端返回太阳能电池负端，从而形成回路，使太阳能电池正常输出。同时由于控制模块的保护模组限制栅极驱动电压，使其不超过栅极击穿电压，从而保护场效应管不会被太阳模组因为负载过小或输出功率过大而导致输出过大的电压所击穿。
在本发明中，由于控制模块具有限制电压的保护模组，场效应管的三极都可以处于安全的工作电压范围内，因而可以适用于不同太阳模组的输出电压。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
实施例一、采用两个电阻构成控制模块：
如图3a所示控制模块的组成结构包括相串联作为驱动模组的一个电阻C和作为保护模组的一个电阻H1，且两电阻的取值关系满足RH1∶RC＝UG∶(UPV-UG)，其中UG为场效应管的栅极驱动电压，UPV为太阳模组的输出电压。如栅极驱动电压UG为2V，PV输出电压UPV为12V，可计算得到RH1∶RC的阻值比为1∶5，阻值越大经过电阻的电流就越小，产生的损耗也越小，但阻值不能过大，过大会导致控制不稳定，并且应保证场效应管栅极的驱动电流。该实例原理简单，成本最低，在可适用的电压范围内可靠性较高，但该控制模块功耗较大。同时由于场效应管栅极电压跟随PV的输出电压比例变化，当PV输出电压较小导致栅极电压低于场效应管栅极驱动电压时，场效应管将关断，因此限制了下限输出电压。
针对不同输出电压的PV需要选用不同的电阻比例，该实例适用于成本优先的应用领域。
实施例二、采用一个电阻，多个二极管串联构成控制模块：
如图3b所示，在该实例中，驱动模组仍然采用一个电阻C，而保护模组采用数个二极管串联成二极管串H2，其中所含每一个二极管压降为0.7V，且二极管的数量匹配场效应管的栅极驱动电压相对单个二极管压降的倍数，即该实例可以通过二极管数量来控制场效应管栅极驱动电压，并使其基本稳定在固定的电压值。
该实例利用二极管的稳定的结电压，基本稳定了栅极驱动电压，能够适应不同的PV，具有通用性强的特点。
实施例三、采用一个电阻，一个稳压二极管构成的控制模块：
如图3c所示，在该实例中，驱动模组采用一个电阻C，保护模组采用一个稳压二极管H3，稳压二极管的稳压值根据场效应管栅极驱动电压值确定，通常超过场效应管栅极驱动电压，使其工作在完全导通状态即可，但不能超出该栅极的击穿电压。稳压二极管通过漏电流来稳定电压值，对于驱动电路，即电阻C的选择没有很高的要求，只需满足场效应管区驱动电流要求即可。该实例电路简单，并且稳定可靠，通用性强，能够适合各种应用需求。
由于在正常工作时，场效应管的压降在0.02V左右，即PV负端比输出线负端低0.02V。而发生故障时，PV输出的电压小于输出线上的压降，因此PV的负端电压将高于输出线电压。即在正常工作时，场效应管为正向0.02V，而故障时，场效应管两端变为反向压降。利用这个现象，既可以实现故障检测指示。如图4所示，是本发明增加了故障检测指示模块后的原理框图。根据不同的指示要求，该模块同样具有多样化的实施方式，其可以选择连接在整个太阳模组输出的负端，也可以选择连接在整个太阳模组输出的正负端之间。具体展开如下：
实施例四、采用一个发光二极管实现简单的故障指示：
如图5a所示，该故障检测指示模块为一个发光二极管，正向跨接在场效应管源、漏两极之间。该实例的故障指示，适用于PV工作电压较高的情况，能够简单指示PV故障，但指示的范围有限，在由于PV受到遮挡导致输出电压少量下降的情况下不能有效指示，因此适用于低成本应用。
实施例五、通过一个三极管驱动发光二极管进行故障指示：
如图5b所示，该故障检测指示模块为一个由三极管驱动的发光二极管，其中三极管的基极、发射极分别与场效应管的源极、漏极相连，且发光二极管反向跨接在三极管集电极与太阳模组的正极之间。本实例通过一个三极管驱动发光二极管，一方面提高了指示效果，另一方面扩大了指示范围，当PV输出电压小于输出线路的0.3V以上就能够点亮发光二极管，有效指示故障。
实施例六、故障检测输出：
如图5c所示，该故障检测指示模块基于一个三极管，该三极管的基极、发射机分别与场效应管的源极、漏极相连，且三极管的集电极外接为测试输出。本实例可以得到一个状态信号，用于提供给上级控制系统检测每一个PV的工作情况。
通过以上多个实施例的详细电路描述，本发明的实质性特征已得以清楚地展示，并且其进步性显而易见：使得太阳模组的保护电路损耗大大降低，提高了太阳模组系统的冗余度和输出功率，也提高了太阳模组夜间及阴雨天的发电能力；并且本发明并联保护电路结构简单，通用性强，成本低廉，对太阳能应用的推广具有促进作用。
以上结合附图所进行的实施例描述，旨在加深本领域技术人员理解并掌握本发明专利申请的实质性特点、可实施性以及突出效果。并非以此限制本发明应用实施的范围。因此但凡基于实施例附图所作的等效替换或简单修改，解决相同的技术问题并达到相同的技术效果的技术方案，均应视作归入本发明专利申请保护的范围之中。

Claims (8)

1.太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述并联保护电路包括一个用于电流反向限制的场效应管、一个用于驱动场效应管的驱动模组及一个用于防止场效应管栅极高压击穿的保护模组，其中所述驱动模组与保护模组相串联构成并联保护电路的控制模块，与太阳模组输出的两极相并联，且所述场效应管的栅极接入驱动模组与保护模组之间，源极与所述太阳模组的负极相连，漏极与所述太阳模组的正极构成受保护后太阳模组的输出两极；所述保护模组至少包括电阻、电阻串、二极管、二极管串或稳压二极管中的一种或几种组合。
2.根据权利要求1所述太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述控制模块的组成结构包括作为驱动模组的一个电阻C和作为保护模组的一个电阻H1，且所述两电阻的取值关系满足RH1:RC=UG:(UPV-UG)，其中UG为场效应管的栅极驱动电压，UPV为太阳模组的输出电压。
3.根据权利要求1所述太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述控制模块的组成结构包括作为驱动模组的一个电阻C和作为保护模组的二极管串H2，且所述二极管串H2中所含二极管的数量匹配场效应管的栅极驱动电压相对单个二极管压降的倍数。
4.根据权利要求1所述太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述控制模块的组成结构包括作为驱动模组的一个电阻C和作为保护模组的一个稳压二极管H3，且所述稳压二极管的稳压值介于场效应管的栅极驱动电压和栅极击穿电压之间。
5.根据权利要求1所述太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述并联保护电路还包括有故障检测指示模块。
6.根据权利要求5所述太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述故障检测指示模块为一个发光二极管，所述发光二极管正向跨接在场效应管源、漏两极之间。
7.根据权利要求5所述太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述故障检测指示模块为一个由三极管驱动的发光二极管，其中所述三极管的基极、发射极分别与场效应管的源极、漏极相连，且所述发光二极管反向跨接在三极管集电极与太阳模组的正极之间。
8.根据权利要求5所述太阳模组的并联保护电路，其特征在于：所述故障检测指示模块基于一个三极管，所述三极管的基极、发射极分别与场效应管的源极、漏极相连，且所述三极管的集电极外接为测试输出。
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