CN102804096B - 基于升压和降压转换的太阳能电池阵列调节器和包含此调节器的太阳能电池功率系统 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池阵列调节器(SAR)，具有连接到太阳能电池阵列(SA)的输入端口以及连接到功率总线(PB)的输出端口，包括：开关电压转换器(SVC)，包括级联连接的降压(PC1)和升压(PC2)功率单元；以及控制电路(CC)，用于取决于输入控制信号(PSR)和指示所述开关电压转换器的工作条件的至少一个反馈信号(SIL F)将所述电压转换器驱动在升压、降压或直接能量传送模式，其特征在于，所述至少一个反馈信号(SIL F)指示流过所述降压和所述升压功率单元之间的电流强度(IL)，由此控制电路实现内部电流反馈控制。一种太阳能电池功率系统包括：至少一个这种太阳能电池阵列调节器；连接到所述或各个太阳能电池阵列调节器的输入端口的至少一个太阳能电池阵列(SA)以及连接到所述或各个太阳能电池阵列调节器的输出端口的功率总线(PB)。

Description

基于升压和降压转换的太阳能电池阵列调节器和包含此调节器的太阳能电池功率系统
技术领域
本发明涉及基于升压和降压转换器的专门用于航天器上的太阳能电池阵列调节器。本发明还涉及包括这种调节器的太阳能电池功率系统。
背景技术
例如卫星和空间探测器的航天器通常包括光电发生器，意在为装载设备供电并且在衰退期间为供电的电池充电。用于航天器的太阳能电池功率系统一般包括一组太阳能电池阵列，功率总线、可充电电池和一个或多个调节器电路用于将功率从太阳能电池阵列传送到功率总线。
最简单并且使用最广泛的太阳能电池阵列调节器(SAR)基于直接能量传送(DET)，这意味着它们将太阳能电池阵列直接连接到功率总线。
由于性能、简洁性和功率密度之间实现的良好折中，连续开关旁路调节器(S3R)大概是最流行的DET太阳能电池阵列调节器。为了描述这种调节器架构，参见：
美国专利4,186,336和
D.O’Sullivan，A.Weinberg在1977年9月21-23日的ThirdESTECSpacecraftPowerConditioningSeminar，Nordwijk，TheNetherlands，题为“ThesequentialSerialShuntRegulator”的文章。
在S3R调节器中，太阳能电池阵列被分成几个部分，工作在各自“恒流”区域并且比作电流源。调节器包括开关，用于将各部分彼此独立地旁路或连接到功率总线。调节器连续操作开关从而调节总线电压：这意味着在任何时候，太阳能电池阵列部分的第一组连接到总线，第二组被旁路并且以开关模式操作单个部分从而获得电压调节。随着功率总线负载需求增加，旁路部分的数量减小，在需要最大功率时，所有部分连接到功率总线。
针对连续开关旁路调节器的电性能的主要优势在于以下事实：在总线功率需求高时(在所有太阳能电池阵列部分连接到总线来递送功率时)，由于仅存在通过旁路二极管、线束、连接器等的传导损失，S3R的效率极佳。从功率效率观点来看，在太阳能电池阵列部分最大功率点电压(VMP)精确等于主总线电压(加上相关二极管或二极管和线束电压降)时，优化S3R的应用。通常，设计S3R太阳能电池功率系统从而确保在功率系统余量最小时实现这种条件，典型地为《寿命终结》条件。
DET功率系统的缺点在于，它们需要对具有太阳能电池阵列的调节器电子电路的特定适应性，由此防止DET-SAR调节器被开发为可能在许多任务中与不同的太阳能电池阵列结构使用的现成的再现产品。
DET概念的另一缺点在于，在一个部分附接到总线(旁路开关打开)时，递送到总线太阳能电池阵列功率取决于太阳能电池阵列特征和功率总线电压水平两者。众所周知，太阳能电池阵列特征以及由此相关的最大功率点电压由于温度、老化、辐射、太阳能电池视界角、太阳强度等变化。因此，不得不考虑太阳能电池阵列功率的非最优传送。而且，具有S3R的优化功率传送校准可以仅实现按用于具有恒定电压电平的调节总线，而不用于存在某些电压变化的非调节(电池)总线。调节总线在低地球轨道卫星(LEO)中的使用受到电池放电调节器重量的阻碍，其尺寸和质量取决于掩食时间和轨道周期之间的比率。因此，电池总线常用于LEO卫星。
因此，对于太阳能电池阵列特征和/或主总线电压会变化的任务(例如，外层空间任务或LEO任务)，通过切换太阳能电池阵列调节器用能从太阳能电池阵列提取最大功率的最大功率点跟踪(MPPT-SAR)可以便捷地替换DET-SAR。
MPPT-SAR包括连接在太阳能阵列和功率总线之间的DC/DC开关电压转换器。
在总线功率需求低于来自太阳能电池阵列的可用功率时，开关电压转换器根据载荷需求调节注入到功率总线的电流，根据情况包括以其最大充电电流对电池充电。
在总线功率需要高于太阳能电池阵列功率容量时，最大功率点跟踪器(MPPT)所驱动的开关电压转换器将其输入电压设置在使得来自太阳能电池阵列的功率提取最大的值VMP。在此情况下，电池处于放电模式，或者减弱的电池充电模式，而从不处于最大充电电流模式。
文献FR2885237和US2007/0024257披露了特别适合空间应用的完全模拟最大功率点跟踪器。
F.Tonicello和S.VazquezdelReal的题为“MaximumPowerPointTrackerapproachtoaregulatedbus”的文章提供了对MPPT-SAR的概述。
迄今，在MPPT-SAR功率系统中使用了两种主要方法。
根据第一方法，DC/DC开关电压转换器为降压转换器(典型地为“降压”类型)，其中总线电压必须总小于太阳能电池阵列电压。目前，这是最常见的架构。
根据第二方法，DC/DC开关电压转换器为升压转换器(典型地为“升压”类型)，其中总线电压必须总大于太阳能电池阵列电压。升压MPPT-SAR的控制比降压SAR更困难，这是由于稳定问题，至少在传统“升压”转换器执行向上转换时，其传送函数呈现为右半平面零点(RHPZ)。参见以下文章：
P.Rueda和B.vanderWeerdt在2005年5月9-13日、Proceedingsofthe7thEuropeanSpacePowerConference，Stresa，Italy，题为“Segregatedmaximumpowerpointtrackingbasedonstep-upregulation”的文章。
B.vanderWeerdt和P.Rueda在2008年9月14-19日、Proceedingsofthe8thEuropeanSpacePowerConference，Constance，Germany，题为“Quasi-conductancecontrolforstep-upregulation”的文章。
F.Tonicello在2005年5月9-13日、Proceedingsofthe7thEuropeanSpacePowerConference，Stresa，Italy，题为“Thecontrolproblemofmaximumpowertrackinginpowersystems”的文章。
MPPT-SAR的主要缺点在于，开关电压转换器引入明显损耗(小百分比)，这会完全抵消在最大功率点操作所提供的优势。而且，在太阳能电池阵列电压和总线电压之间的差增大时，SAR的效率降低：MPP电压与总线电压相差越大，SAR的效率越低(对于升压和降压转换器都是这样)。
结果，并且有些意外的是，MPPT功率系统的总效率会低于输送相同功率的S3R的效率，这主要是因为在所有部分连接到功率总线时S3R没有开关损耗的事实。
实现MPPT-SAR的第三个方法包括使用SEPIC(单端初级电感器电路)DC/DC转换器。SEPIC为DC/DC转换器，包括单开关型降压或升压转换器-但是能够取决于所述开关运行的占空比将输入电压升高或降低(输入/输出电压比率等于50％占空比的输入/输出电压比率)。对于SEPIC转换器对MPPT-SAR的应用参见文献WO2006/002380。
使用SEPIC而不是传统降压或升压转换器的优势在于，不必确保任何时候功率总线电压高于或低于太阳能电池阵列的最大功率点电压VMP。然而，开关损耗并未消除。
文献US2008/0258675披露了MPPT-SAR，包括由级联到升压功率单元的降压功率单元构成的升压/降压电压转换器。两个功率单元由数字微控制器驱动，对数字微控制器编程从而根据以下操作模式之一驱动所述开关电压转换器：
升压模式，其中升压功率单元处于开关状态而降压功率单元持续导通；
直接能量传送模式，其中两个功率单元持续导通；以及；
降压模式，其中降压功率单元处于开关状态而升压功率单元持续导通。
文献US2008/0258675没有披露如何可以具体执行升压和降压转换器的控制。然而，这对于以下原因来说是关键问题：
由于所谓的“右半平面零点问题”，升压功率单元的控制环路具有变得不稳定的风险；
控制系统必须确保不同操作模式之间的平滑转移(升压、降压、DET)；
控制系统必须在所有操作模式稳定，例如，在电池管理模式，而不是太阳能电池阵列的电压和电流区域工作在MPPT模式时。
即使发生故障，必须避免升压和降压单元的同时操作；
必须将复杂度保持在低水平，尤其在模拟实现的情况，这在空间应用中是优选的，这是由于与微处理器解决方案相比的更大可靠性；
控制系统必须与例如在空间应用中需要的冗余和/或隔离方案相兼容。
发明内容
本发明目的在于提供一种升压/DET/降压太阳能电池阵列调节器以及与上述需求至少部分一致的太阳能电池功率系统。
该目的是通过根据权利要求1的太阳能电池阵列调节器实现的，其具有连接到太阳能电池阵列的输入端口和连接到功率总线的输出端口，并且包括：
连接在所述输入端口和输出端口之间的三模开关电压转换器，包括第一和第二开关单元，用于选择性地实现电功率的升压转换、降压转换或直接传送；以及
控制电路，用于生成第一和第二脉冲宽度调制信号，分别驱动所述第一和第二开关单元。
所述调节器执行单电流控制环路，用于使用与流过开关电压转换器的电感器的电流成比例的电流反馈信号生成所述第一和第二脉冲宽度调制信号，开关电压转换器的电感器与开关单元的输入端口或输出端口串联连接。
这种调节器的有利实施例构成了从属权利要求2-12的主题。
该目的还由根据权利要求13的太阳能电池功率系统实现，包括：
如上所述的至少一个太阳能电池阵列调节器；
至少一个太阳能电池阵列，连接到所述或各个太阳能电池阵列调节器的输入端口；以及
功率总线，连接到所述或各个太阳能电池阵列调节器的输出端口；
其中太阳能电池阵列调节器配置成取决于所述功率总线的功率需求将所述太阳能电池阵列操作在其特征的恒定电压部分或者其最大功率点。
这种太阳能电池功率系统的有利实施例构成了从属权利要求14-19的主题。
附图简述
结合附图从随后的描述，本发明的另外特征和优势将变得明显，附图示出了：
图1A和1B为太阳能电池阵列在不同工作条件下的{V，I}和{V，P}特征曲线；
图2为根据本发明的太阳能电池阵列调节器的简化框图；
图3A-3E为适合在本发明的各个实施例中使用的不同降压-升压DC/DC开关电压转换器的电路图；
图4A、4B和4C为连接到根据本发明的太阳能电池阵列调节器的太阳能电池阵列的三个工作点，对应于开关电压转换器的三个工作模式；
图5为图示了根据本发明的实施例太阳能电池阵列调节器的反馈控制的简化框图；
图6A和6B为图示了根据本发明的太阳能电池阵列调节器的两个替代反馈控制方案的细节的简化电路图；
图7A、7B和7C分别为图示了根据本发明的太阳能电池阵列调节器的操作的简化电路图和两个波形曲线；
图8、9A和9B为用于根据本发明的实施例的太阳能电池功率系统的三个不同的冗余/隔离方案；
图10A和10B为用于根据本发明的替代实施例的太阳能电池功率系统的两个不同的冗余/隔离方案；
图11A-16C为描绘了根据本发明的不同实施例的太阳能电池阵列调节器的控制电路的稳定性的一组曲线；以及
图17A-17C为描绘了根据应用于转换器3B的本发明的不同实施例的太阳能电池阵列调节器的控制电路的动态特性的一组曲线，测试设置如图5所示。
具体实施方式
图1A示出了两个不同工作条件(温度和亮度)下的太阳能电池阵列的电压/电流-或{V，I}-特征曲线CVI1和CVI2。图1B示出了相应的电压/功率-或者{V，P}-特征曲线CVP1，CVP2。如本领域所公知的，{V，I}特征曲线包括第一区域(“电流区域”)其中所生成的电流ISA近似独立于电压，以及第二区域(“电压区域”)其中电压VSA近似独立于电流。在两个区域之间，存在“弯曲”，其对应于最大功率点，这可从图1B上清楚看出。
图1B示出了取决于如温度、亮度和老化的条件相同太阳能电池阵列的最大功率点电压VMP在操作期间可能变化非常明显(例如在28和78V之间)。容易理解的是，如果图中的太阳能电池阵列连接到以30V调节的功率总线，则会非常高效地(几乎在MPP)运行在第一条件(曲线CVP1所表示)，而在第二条件(曲线CVP2所表示)运行相当低效。相反，如果总线电压水平大约为75V时，则功率生成在第二条件非常高效，而在第一条件下将不生成功率。
结果，如果期望太阳能电池功率系统的工作条件在其运行寿命期间非常明显地变化，如在某些太空任务的情况一样，太阳能电池阵列与功率总线的直接连接不是有利选择。在此情况下，如上所述，已知的是使用DC/DC开关电压转换器作为太阳能电池阵列和功率总线之间的接口。适合的控制电路可以确保无论何时需要太阳能电池阵列的操作都处于或在其最大功率点附近，而与温度、亮度、辐射和老化无关。然而，由于不可避免的开关损耗，功率生成效率的这种增大仅以减小功率传输效率为代价。
图2示出了为根据本发明的太阳能电池功率系统的简化框图。这种功率系统包括太阳能电池阵列SA、太阳能电池阵列调节器SAR、功率总线PB和功率总线容量CPB。
太阳能电池阵列调节器SAR主要由开关电压转换器SVC和控制电路CC构成，执行根据至少一个功率请求信号PRS的所述转换器的闭环控制。取决于PRS信号，控制电路可以驱动SAR调节器从而使得SA运行在其最大功率点或者较低功率水平从而为功率总线提供所需的电流强度。
开关电压转换器SVC具有连接到太阳能电池阵列SA的输入端口IN和连接到功率总线PB的输出端口OUT。它包括两个开关单元，或图上晶体管表示的功率单元PC1和PC2，以及串联连接到开关单元的输入端口或输出端口的至少一个电感器L1。功率单元PC1是降压型，例如(一个或两个电感器)降压单元，而功率单元PC2是升压型，例如(一个或两个电感器)升压单元。两个功率单元可以级联或者交错，并且它们可以有利地共享一些感性组件。在任意情况下，将它们互连从而允许进行转换器的三模(降压、直接能量传送和升压)操作。在降压操作中，第一功率单元PC1是有源的(即，处于开关状态从而执行电压降低转换)，而第二功率单元PC2是无源的并且对于功率传送是“透明的”。在升压操作中，第二功率单元PC2是有源的(即，处于开关状态从而执行电压升高转换)，而第一功率单元PC1是无源的并且对于功率传送是“透明的”。在直接能量传送或“DET”操作中，两个功率单元都是无源的。
控制电路CC通过生成用于控制第一开关单元PC1的操作的第一脉冲宽度调制-或PWM-信号PWMS1以及用于驱动第二开关单元PC2的操作的第二脉冲宽度调制信号PWMS2来实现开关电压转换器SVC的反馈控制。本发明的重要特征在于，使用单反馈环用于生成两个PWM信号。该单环路使用与流过转换器的电感器L1的电流IL成比例的反馈信号SIL，所述电感器串联连接到开关单元的输入端口或输出端口，为此称为“电流控制环路”。
图3A-3E图示了适于实现本发明的六种升压/DET/降压转换器的电路图。在JingquanChen，DraganMaksimovic和RobertErickson在2001年、ProceedingsofthePowerElectronicsSpecialistsConference，Vancouver，Canada，题为“Buck-BoostPWMConvertersHavingTwoIndependentlyControlledSwitches”的文章中更深入地讨论了这些和其他适合的转换器方案。
图3A的转换器包括由升压单元级联的(非反向)双电感器降压单元组成。反馈信号SIL与整个转换器的输入电流成比例。
图3B的转换器包括由升压单元级联的(非反向)降压单元组成。反馈信号SIL与升压单元的输出电流/升压单元的输入电流成比例。
图3C的转换器包括与两个电感器降压单元交错的(非反向)升压单元组成。与图3A的方案相似，反馈信号SIL与整个转换器的输入电流成比例。
图3A、3B和3C的电路的特征在于，它们包括单电感器升压转换器。它们可以统称为“第一组拓扑结构”。
图3D的转换器包括与降压单元交错的(非反向)两个升压单元组成。反馈信号SIL与整个转换器的输出电流成比例。
图3E的转换器包括由两个电感器升压单元级联的(非反向)降压单元组成。同样，反馈信号SIL与整个转换器的输出电流成比例。
图3D和3E的电路的特征在于，它们包括双电感器升压转换器。它们可以统称为“第二组拓扑结构”。相比较“第一组”转换器，它们更容易控制，这是因为双电感器升压单元没有右半平面零点，并且因此它们更适于调节总线的供电。右半平面零点引起增益的增加但是使得开路频率响应的相位恶化，更难以保证具有足够稳定相位和增益余量的高带宽。这对于电池直接连接到总线并且保证低阻抗的电池总线来说不是问题，即使调节器被限制运行在低带宽。
如上所述，控制电路CC配置成取决于功率请求信号PRS的值根据以下运行模式之一驱动电压转换器SVC：
升压模式，其中升压功率单元PC2处于开关状态而降压功率单元PC1持续导通(参见图4A)；
直接能量传送模式，其中两个功率单元都持续导通(参见图4B)，从而完全消除开关损耗；以及
降压模式，其中降压功率单元PC1处于开关状态而升压功率单元PC2持续导通，即旁路开关SW2持续打开(参见图4C)。
在VBUS接近VMP时，SAR运行在DET模式，而其功率传送效率几乎与S3R的一样好，并且好于传统MPPT-SAR的效率。
图5是基于图3B的、给连接到阻抗ZL的载荷的非调节“电池”总线供电的电压转换器SVC，根据本发明的第一实施例的MPPT-SAR的简化表示，尽管比图2更具体。
电压转换器SVC的降压功率单元PC1包括由功率MOS晶体管实现的串联开关SW1，旁路二极管D1和串联电感器L1。升压功率单元PC2包括所述串联电感器L1(由此由两个功率单元所共有)，也由功率MOS晶体管实现的旁路开关SW2和旁路电容器C1。如功率电子电路领域已知的那样，电压转换系数为：
V BUS V IN = d 1
对于降压操作(降压功率单元PC1开关)以及
V BUS V IN = 1 1 - d 2
对于升压操作(升压功率单元PC2开关)，其中d1为驱动“降压”开关SW1的PWMS1信号的占空比，而d2为驱动“升压”开关SW2的PWMS2信号的占空比。
在图5的太阳能电池功率系统中，SVC开关SW1和SW2受到所谓的“电流环路”的控制，即闭环控制，其中反馈信号SIL与流过串联电感器L1的电流成比例而受控变量为驱动信号PWMS1、PWMS2的开关占空比d1和d2。
如图2和5所示，可由低电阻构成的电流传感器Rs1生成反馈信号SIL，其作为电感器电流IL的函数，并且具体来说与电感器电流IL成比例。
使用反馈信号SIL从而关闭开关电压转换器SVC的控制环路对于以下原因是有利的：
单反馈环路允许控制两个功率单元，从而最小化硬件复杂度；
升压和降压单元的同时操作从本质上来说是不可能的；以及
控制环路是稳定的，不管转换器的操作模式如何(升压、降压和DET)，稍后参考图11A到16C讨论后一点。
单反馈信号SIL提供在差分放大器AIL的第一输入端口，相比较电流设置点值SPI提供在其第二输入端口，所述差分放大器的输出SD提供在作为脉冲宽度调制器(PWM)工作的两个比较器CMP1和CMP2的公共输入。
第一比较器CMP1也具有第二输入端口，其接收锯齿波或三角波输入信号。所述第一比较器的输出信号PWMS1为脉冲宽度调制方波信号，驱动降压功率单元PC1的开关组件SW1。
类似地，第二比较器CMP2也具有第二输入端口，其接收具有正偏移锯齿波或三角波输入信号。所述第二比较器的输出信号PWMS2为脉冲宽度调制方波信号，驱动升压功率单元PC2的开关组件SW2。
如进一步具体所讨论，参考图7A-7C，在设置点值SPI出现在AIL的第二输入端时，差分放大器明显低于电感器电流强度IL乘以Rs1电流传感器增益，降压功率单元开路或处于开关状态，而升压开关SW2永久断开，随着SPI增加，PWMS1的占空比增加，上升至SPI永久接通而SW2保持断开的点，从而保证DET，如果SPI进一步增加，则升压单元开始处于开关状态，而SPI保持接通。由此，三模控制单纯由模拟控制电路实现。
电流设置点值SPI在AIL的输入端被估值，差分放大器不固定，相反，由第二(或“外部”)反馈环路动态确定。
可以在图5上看出，由另外的差分放大器AV提供电流基准值，另外的差分放大器AV接收：
在第一输入端口处的反馈信号SVIN，其为转换器的输入端的电压(即，太阳能电池阵列电压VSA)的函数，具体地说与其成比例；以及
第二输入端口处的电压设置点SPV。
另外指出，根据本发明的优选实施例的SAR的控制电路CC包括外部电压控制环路，在其内嵌入内部输入电流控制环路。作为所述输入电压基准值(以及太阳能电池阵列自身的{V，I}特征曲线)的函数，该双控制环路允许固定太阳能电池阵列的工作点(VSA，ISA)。
如上所述，在许多太阳能电池功率系统中，不必使得太阳能电池阵列任何时候都工作在其最大功率点。通常，功率总线连接到太阳能电池阵列、吸收功率的载荷(或者多个载荷)以及存储能量的电池BATT。仅在以下情况需要最大功率点工作：
太阳能电池阵列提供的最大功率不足以满足来自载荷的功率请求(差异由电池提供)；
或者太阳能电池阵列提供的最大功率足以满足来自载荷的功率请求，而不足以以其最大充电电流对部分放电电池充电。
否则，优选地将太阳能电池阵列工作在低功率水平，通常在其电压区域内，从而避免必须损耗的过量功率的生成。
有利地提供电池管理模块BMM从而控制电池充电并且在不需要工作在最大功率点时还控制电压转换器。如图5所示，电池管理模块BMM实现控制环路，其具有作为电池充电电流的函数(具体来说成比例)的第一反馈信号SIB，作为电池电压的函数(具体来说成比例)的第二反馈信号SVB以及电流和电压基准值IREF和VREF。电池管理模块BMM的输出信号SP’V而非MPPT信号SPV构成替代电压设置点，其可提供在差分放大器AV的基准输入端口。
在电池放电时，电池管理以信号SPV’控制SAR从而确保与基准IREF成比例的充电电池电流。
在电池充电结束时，电池管理以信号SPV’控制SAR从而确保与基准VREF成比例的充电电池电压的结束。
电池管理模块本身是已知的。例如参见NikolausBreier，BernhardKiewe和OlivierMourra在EuropeanSpacePowerConferenceESPC2008，14-19September2008，Konstanz，Germany，题为“ThePowerControlandDistributionUnitfortheSwarmSatellites”的文章。
提供选择装置从而在电池管理模块BMM提供的MPPT电池设置点SPV和替代电压设置点SP’V之间选择。以图5所示的最简单的形式，所述选择装置由逻辑“OR”构成，通过将MPPT和BMM的输出连线实现。
逻辑“OR”实现输入端的“min”或“max”功能。如果功率请求高于SAR能提供的功率，则BMM设置点(参见下文，在图5的情况为SPV‘，或者在图6A的情况为SPI‘)经历高(或低)饱和。因此，在低于(分别地：高于)饱和电流时，MPPT生成的替代电压设置点SPV(或SP’，参见图6A)进行控制。
作为图6A上表示的变量，电池管理控制环路可以确定替代电流设置点SP’I，与通过电压差分放大器AV由MPPT提供的电流设置点SPI“求或”。
图6A的配置还适合于用于功率总线PB为调节总线的情况。“调节总线”是功率总线，其电压通过包括用于“主误差放大器”称为MEA的差分放大器的控制环路保持恒定-其生成表示真实总线电压和总线基准电压VREF之间的差的误差信号VMEA。调节总线比“非调节”总线更复杂，这是因为其电池必须通过电池充电调节器充电并且通过电池放电调节器放电从而使得调节电压独立于电池电压。
在使用根据本发明的太阳能电池阵列调节器来给调节总线供电时，它是提供了(直接或间接)替代电流设置点SP’I的MEA，其与根据图6A的方案由MPPT提供的电流设置点SPI“求或”。图6B所示的替代方案包括使用类似于图5的方案，其中BMM由主(电压)误差放大器MEA替代，生成表示真实总线电压VMB和总线基准电压VMB REF之间的差的误差信号VMEA。
图7A示出了测试工作台，用于检查图5的SAR的升压、DET和降压模式之间的转变。基于其他升压/DET/降压拓扑结构(例如，图3A或3C到3E的拓扑结构)，容易把结果一般化到SAR。
在该测试工作台中，不同于真实工作条件，在开环中驱动开关电压转换器。在PWM比较器CMP1和CMP2的公共输入端口提供低频斜坡信号LFR。在比较器CMP1的第二输入端口提供较高频(典型地在100kHz或更大)锯齿波信号RS1；类似的锯齿波信号，但是具有正偏移，在比较器CMP2的第二输入端口提供RS2。在图A上，为了清楚起见，在比真实频率更低的频率处展示出锯齿波信号RS1，RS2。电压间隙存在于较低锯齿波信号RS1的最大值与较高锯齿波信号RS2的最小值之间。
图7B示出了分别由CMP1和CMP2输出并且分别驱动降压开关SW1和升压开关SW2的控制信号PWMS1和PWMS2的示波器迹线。
图7C示出了太阳能电池阵列电压VSA，、太阳能电池阵列电流ISA和提供给功率总线的转换器的输出电流IOUT的示波器迹线。
在测试开始，低频斜坡信号LFR的值小于RS1的最小值，指示出不需要来自太阳能电池阵列的功率贡献。在这些条件下，PWMS1永远为低，打开第一开关SW1并且因此将太阳能电池阵列与功率总线断开。ISA和IOUT等于0(注意图7C上的曲线IOUT为偏移)，VSA等于太阳能电池阵列的开电路电压。而且，PWMS2永远为低，打开第二开关SW2。
随后，LFR的值增大，取RS1的最小值和最大值之间的值。因此，在锯齿波信号RS1周期的一部分期间，V(LFR)＞V(RS1)，将PWMS1带入高值并且关闭开关SW1。可以理解，PWMS1随后变成方波，其占空比取决于V(LFR)。随着V(LFR)增大，占空比增大，并且ISA和IOUT也增大；太阳能电池阵列电压VSA降低一点。在此期间，第二开关SW2保持打开。
在这种情况下，开关电压转换器SVC工作在降压或降压模式。这是本发明的SAR的第一工作模式OM1。
在V(LFR)超过锯齿波信号RS1的最大值时，PWMS1保持锁定在高值，第一开关SW1保持闭合，而第二开关SW2仍然打开。在这些情况下，开关电压转换器SVC对功率是“透明的”，直接从太阳能电池阵列传输到功率总线。这是本发明的SAR的第二(DET)工作模式OM2。在此模式中，ISA，IOUT和VSA独立于V(LFR)的精确值。
在V(LFR)增加到超过偏移锯齿波信号RS2的最小值的点时，驱动信号的PWMS2驱动变成方波，其占空比取决于V(LFR)。“升压”开关SW2以所述占空比周期性打开和关闭，而SW1保持闭合。这是本发明的SAR的第三(升压)工作模式OM3。ISA增加到极限值的上限，而VSA降低。IOUT经过最大值-对应于SAR效率所标定的最大功率点-并且随后降低。注意，在不同配置中，在升压模式中可以达到最大功率点MPP。
如果V(LFR)进一步增加，则PWMS2的占空比等于1，这意味着第二开关SW2永远关闭，旁路太阳能电池阵列。
如已经提到的，冗余和/或隔离在关键-例如空间-的应用中是重要的。“冗余”指的是临界函数的倍乘，例如最大功率点跟踪器，从而避免单次故障的有害影响。“隔离”系统设计成为了避免故障效果的传播，例如隔离可以避免单太阳能电池阵列和相关电子电路的故障导致功率总线的短路。
本发明的太阳能电池阵列调节器可以容易地集成在冗余和/或隔离方案中。
图8、9A和9B图示了根据本发明的提供冗余的太阳能电池功率系统的三种不同实现方式。再次，这些例子基于图3B的电压转换器，但是可以容易地将它们一般化。
图8的功率系统基于热冗余。系统包括多个(例如，5个)太阳能电池阵列SAi，其输出连接到第一公共节点CN1。根据本发明的多个(例如，3个)调节器SARj连接到所述第一公共节点与第二公共节点CN2之间，将所述调节器的输出中心化。模块IF和IP分别表示输入滤波器和输入保护，这些组件是惯用的。在图8的方案中的输入保护在一个SARj的异常性能的情况下为打开功率线的开关。这样，其他SARj(ji)保持能够名义上运行，并且在没有功率损耗的情况下将来自太阳能电池阵列的请求功率传送给总线。
实现电池管理控制环路的电池管理模块BMM和最大功率点跟踪器MPPT已被实现作为分立元件。这确保共同操作调节器SARj。BMM和MPPT模块自身是冗余的，由多数投票器MV所连接的三个仿形构成。
图9A和9B指的是基于隔离冗余的两个不同架构。在这些架构中，功率系统包括多个(例如5个)功率单元PUi，每个都包括太阳能电池阵列SAi和太阳能电池阵列调节器SARi。功率单元连接到公共功率总线PB。
在图9A的功率系统中，每个功率单元提供有各个最大功率点跟踪器MPPTi，而电池管理模块BMM置于中心(并且是冗余的)。相反，在图9B的功率系统中，最大功率点跟踪器MPPT和电池管理模块BMM以分立、置于中心以及冗余元件的形式实现。
图10A图示了基于图8的相同“热”冗余方案的太阳能电池功率系统。然而，图10A的功率系统包括调节总线(基准BCR和BDR分别指示电池充电调节器和电池放电调节器)并且使用图3D类型的电压转换器。
图10B图示了基于图9A的相同隔离方案的太阳能电池功率系统，但是包括调节总线并且使用图3D类型的电压转换器。
图10A和10B的方案包括保护开关PSM，确保在SAR之一中出现单个故障之后不再发生功率损耗(或功率总线短路电路)。
具体描述了几个本发明的实施例，现在示出单电流反馈环的使用，其反馈电流与流过开关单元的“串联”电感器的电流成比例，这确保即使在MPPT操作中实现所述开关电压转换器的稳定控制。
对于升压和降压操作以及在非线性太阳能电池阵列特征的不同工作点必须确保稳定性。为了造成更多困难，公知的是，在其输入具有电压源的单电感器升压转换器的传输函数具有右半平面零点，使得反馈控制变得困难。而且，控制策略不应该妨碍最大功率点跟踪。
以发明人所知，当前披露的控制策略是唯一一个能通过单反馈环实现升压/DET/降压转换器的稳定控制的策略。
现在展示的是，在升压和降压操作、在太阳能电池阵列特征的“电压”和“电流”区域中，本发明的控制电路实现图3A-3D的转换器的稳定控制。
图11A、11B和11C图示了降压操作中图3B的转换器(基于图5的调节器)的控制的稳定性。
更精确地说，图11A示出了太阳能电池阵列V-I(上面板)和V-P(下面板)特征和四个工作点OP15(电流区域)、OP16(MPP)、OP17和OP18(电压区域)。所有这些工作点位于总线电压水平VBUS之上，因此转换器工作在降压或下降模式。
图11B示出了输入电压环路和控制电路的增益预示曲线。曲线G15-G18对应于工作点OP15-OP18。可以看出最小增益余量大于10dB。
图11C示出了输入电压环路和控制电路的相位预示曲线。曲线P15-P18对应于工作点OP15-OP18。可以看出最小相位余量大于60度。
图12A、12B和12C图示了在升压操作下同一转换器的控制稳定性。
更精确地说，图12A示出了太阳能电池阵列V-I(上面板)和V-P(下面板)特征和四个工作点OP19(电流区域)、OP20(MPP)、OP21(电压区域)。所有这些工作点位于总线电压水平VBUS之上，因此转换器工作在升压或上升模式。
图12B示出了输入电压环路和控制电路的增益预示曲线。曲线G19-G21对应于工作点OP19-OP21。可以看出最小增益余量大于10dB。
图12C示出了输入电压环路和控制电路的相位预示曲线。曲线P19-P21对应于工作点OP19-OP21。可以看出最小相位余量大于60度。
可以容易验证，图3A和3C的拓扑结构从控制视角来看严格等同。对于图3D和3E的拓扑结构同样如此。
图13A、13B和13C图示了降压操作中图3A和3C的转换器的控制稳定性。
更精确地说，图13A示出了太阳能电池阵列V-I(上面板)和V-P(下面板)特征和四个工作点OP1(电流区域)、OP2(MPP)、OP3和OP4(电压区域)。所有这些工作点位于总线电压水平VBUS之上，因此转换器工作在降压或下降模式。
图13B示出了输入电压环路和控制电路的增益预示曲线。曲线G1-G4对应于工作点OP1-OP4。可以看出最小增益余量大于10dB。
图13C示出了输入电压环路和控制电路的相位预示曲线。曲线P1-P4对应于工作点OP1-OP4。可以看出最小相位余量大于60度。
图14A、14B和14C图示了在升压操作下相同转换器的控制稳定性。
更精确地说，图14A示出了太阳能电池阵列V-P特征和另外三个工作点OP5(电流区域)、OP6(MPP)和OP7(电压区域)。这次所有这些工作点位于总线电压水平VBUS之下，因此转换器工作在升压或上升模式。
图14B示出了输入电压环路和控制电路的增益预示曲线(曲线G5-G7)。可以看出最小相位余量大于10dB。
图14C示出了输入电压环路和控制电路的相位预示曲线(曲线P5-P7)。可以看出最小相位余量大于60度。
图15A、15B和15C图示了降压操作中图3D和3E的转换器的控制稳定性。
更精确地说，图15A示出了太阳能电池阵列V-P特征和三个工作点OP9(电流区域)、OP10(MPP)、OP11(电压区域)。所有这些工作点位于总线电压水平VBUS之上，因此转换器工作在降压或下降模式。
图15B示出了输入电压环路和控制电路的增益预示曲线。曲线G9-G11对应于工作点OP9-OP11。可以看出最小增益余量大于10dB。
图15C示出了输入电压环路和控制电路的相位预示曲线。曲线P9-P11对应于工作点OP9-OP11。可以看出最小增益余量大于60度。
图16A、16B和16C图示了在升压操作下相同转换器的控制稳定性。
更精确地说，图16A示出了太阳能电池阵列V-P特征和另外三个工作点OP12(电流区域)、OP13(MPP)和OP14(电压区域)。这次所有这些工作点位于总线电压水平VBUS之下，因此转换器工作在升压或上升模式。
图16B示出了输入电压环路和控制电路的增益预示曲线(曲线G12-G14)。可以看出最小相位余量大于10dB。
图16C示出了输入电压环路和控制电路的相位预示曲线(曲线P12-P14)。可以看出最小相位余量大于60度。
在相关面包板上测试了图3B的转换器(基于图5的调节器)的太阳能电池阵列(输入)电压控制的稳定性。
图17A示出了工作点在“假象”三角信号驱动下围绕太阳能电池阵列最大功率点MPP振荡时太阳能电池阵列电压VSA、太阳能电池阵列功率PSA和总线电压VBUS的曲线，“假象”三角信号模拟MPP跟踪器所生成的电压设置点SPV。在图17A的情况下，太阳能电池阵列电压总低于总线电压(升压操作)。
图17B示出了工作点在图17A的情况相同的三角设置点信号驱动下围绕太阳能电池阵列最大功率点MPP振荡时太阳能电池阵列电压VSA、太阳能电池阵列功率PSA和总线电压VBUS的曲线，太阳能电池阵列电压总高于总线电压(降压操作)。
图17C示出了工作点在图17A和17B的情况一样的三角设置点信号驱动下围绕太阳能电池阵列最大功率点MPP振荡时太阳能电池阵列电压VSA、太阳能电池阵列功率PSA和总线电压VBUS的曲线，所述MPP对应于总线电压。在这些条件下，太阳能电池阵列电压有时高于并且有时低于总线电压；因此转换器可替代地工作在升压、DET和降压模式中。
重要的是，注意对于三个附图17A、17B和17C已经应用了相同的控制方案。在所有的情况下，真实的太阳能电池阵列电压在MPP周围振荡并且完全遵循三角设置点信号。这表明SAR的输入电压环路具有足够的动态特性从而与MPPT一起使用。

Claims (17)

1.一种太阳能电池阵列调节器(SAR)，具有连接到太阳能电池阵列(SA)的输入端口(IN)以及连接到功率总线(PB)的输出端口(OUT)，包括：
连接在所述输入端口和输出端口之间的三模开关电压转换器(SVC)，包括第一和第二开关单元(PC1、PC2)，用于选择性地实现电功率的升压转换、降压转换或直接传送；以及
控制电路(CC)，用于生成第一和第二脉冲宽度调制信号(PWMS1、PWMS2)，分别驱动所述第一和第二开关单元，
其特征在于，所述控制电路执行单电流控制环路，用于使用与流过三模开关电压转换器的电感器(L1)的电流(IL)成比例的电流反馈信号(SIL)生成所述第一和第二脉冲宽度调制信号(PWM1,PWM2)，三模开关电压转换器的电感器与开关单元的输入端口或输出端口串联连接；
其中所述控制电路还实现外部控制环路，配置用于生成用于所述单电流控制环路的电流设置点(SPI)并且使用：
电压反馈信号(SVIN)，与三模开关电压转换器的输入电压(VIN)成比例；以及电压设置点(SPV)，与最大功率点跟踪单元(MPPT)所生成的电压基准值(VMPP)成比例。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池阵列调节器，其中所述控制电路包括第一和第二脉冲宽度调制器(PWM1,PWM2)，其具有公共输入端口，用于接收由所述单电流控制环路所生成的驱动信号(SD)。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池阵列调节器，其中所述单电流控制环路和所述第一和第二脉冲宽度调制器被实现为模拟电路。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池阵列调节器，进一步包括：
电池管理模块(BMM)或主误差放大器(MEA)，用于生成用于电压控制环路的替代电压设置点(SP’V)；以及
选择装置(OR)，用于选择所述最大功率点跟踪单元(MPPT)所生成的电压设置点(SPV)或者所述替代电流设置点(SP’V)。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池阵列调节器，进一步包括：
电池管理模块(BMM)或主误差放大器(MEA)，用于生成用于所述单电流控制环路的替代电流设置点(SP’I)；以及
选择装置(OR)，用于选择所述外部控制环路所生成的电流设置点(SPI)或者所述替代电流设置点(SP’I)。
6.根据权利要求4或5所述的太阳能电池阵列调节器，其中主误差放大器(MEA)，配置用于产生表示三模开关电压转换器(SVC)的输出电压(VOUT)与总线调节电压基准(VMBREF)之间的差的信号(VMEA)。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池阵列调节器(SAR)，其中所述三模开关电压转换器(SVC)包括用于执行升压转换的单电感器升压开关单元(PC2)。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池阵列调节器(SAR)，其中所述三模开关电压转换器(SVC)具有以下拓扑结构：
由单电感器升压转换器级联的双电感器降压转换器；
由单电感器升压转换器级联的单电感器降压转换器；以及
与单电感器升压转换器交错的双电感器降压转换器。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池阵列调节器(SAR)，其中所述三模开关电压转换器(SVC)包括用于执行升压转换的双电感器升压开关单元(PC2)。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池阵列调节器(SAR)，其中所述三模开关电压转换器(SVC)具有以下拓扑结构：
与单电感器降压转换器交错的双电感器升压转换器；以及
由双电感器升压转换器级联的单电感器降压转换器。
11.一种太阳能电池功率系统，包括：
至少一个根据前述权利要求中任一所述的太阳能电池阵列调节器(SAR)；
至少一个太阳能电池阵列(SA)，连接到所述太阳能电池阵列调节器的输入端口；以及
功率总线(PB)，连接到各个太阳能电池阵列调节器的输出端口；
其中太阳能电池阵列调节器配置成取决于所述功率总线的功率需求将所述太阳能电池阵列操作在其特征的恒定电压部分或者其最大功率点。
12.根据权利要求11所述的太阳能电池功率系统，其中太阳能电池阵列调节器配置成：
在功率总线电压包括在围绕太阳能电池阵列的最大功率点的预定范围内时以直接能量传送模式驱动所述三模开关电压转换器；
在功率总线电压低于所述预定范围的下限时以降压模式驱动所述三模开关电压转换器；以及
在功率总线电压高于所述预定范围的上限时以升压模式驱动所述三模开关电压转换器。
13.根据权利要求11或12任一所述的太阳能电池功率系统，其中所述功率总线为调节总线而所述太阳能电池阵列调节器为根据权利要求11所述的调节器。
14.根据权利要求11所述的太阳能电池功率系统，包括：
多个太阳能电池阵列部分(SAi)，并联连接到第一公共节点；
多个根据权利要求1到10中任一所述的太阳能电池阵列调节器(SARj)，工作在热冗余状态，其输入端口连接到所述第一公共节点而其输出端口连接到第二公共节点；以及
功率总线(PB)，连接到所述第二公共节点。
15.根据权利要求12所述的太阳能电池功率系统，包括：
多个太阳能电池阵列部分(SAi)；
多个根据权利要求1到10中任一所述的太阳能电池阵列调节器(SARj5)，其输入端口连接到各自太阳能电池阵列部分而其输出端口连接到公共节点；以及
功率总线(PB)，连接到所述公共节点。
16.根据权利要求15所述的太阳能电池功率系统，其中所述太阳能电池阵列调节器包括各自最大功率点跟踪单元(MPPTi)，用于为其控制电路提供电压基准值。
17.根据权利要求15所述的太阳能电池功率系统，进一步包括集中和冗余的最大功率点跟踪单元(MPPTC)，用于为所述太阳能电池阵列调节器的控制电路提供电压基准值。
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