CN103078499B - 一种太阳能mppt控制器及其n-buck变换器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光伏发电及电力电子变换领域，提供了一种太阳能MPPT控制器及其N-BUCK变换器。本发明由开关管根据脉宽调制器所输出的脉宽调制信号以相应的高低电平实现通断操作，储能模块在开关管处于导通状态时对储能元件充电，而在开关管处于关断状态时通过电流引导模块对储能元件进行充电，进而在输入电压相同时使开关管工作于较低的占空比条件下实现输出电压等于现有技术需要在高占空比条件下所输出的电压，N-BUCK变换器与现有的BUCK变换器相比不易达到最大占空比，在现有的BUCK变换器因占空比饱和无法实现MPPT功能时仍可实现MPPT功能，提高了光伏模组MPPT控制器的输入电压可跟踪的有效范围，提升了光伏模组的转换效率及太阳能光伏发电系统对太阳能的实际利用效率。

Description

一种太阳能MPPT控制器及其N-BUCK变换器

技术领域

本发明属于光伏发电及电力电子变换领域，尤其涉及一种太阳能MPPT控制器及其N-BUCK变换器。

背景技术

目前，随着新能源应用技术的高速发展，光伏发电应用已经成为光伏新能源利用的一个重要组成部分。光伏发电系统的重要组成部分是光伏模组，由于光伏组件的PV特性，为了使光伏发电系统能够最大限度地利用太阳能，则必须在光伏发电系统中采用最大功率点跟踪（MPPT,Maximum Power PointTracking）太阳能控制器，以便更好地对光伏模组的工作点进行优化控制，追踪最大功率值，使光伏发电系统在任何时刻都能获得光伏模组的最大输出功率。

然而，在现有的太阳能MPPT控制器中，由于电路形式和控制方法的限制，会限制太阳能MPPT控制器的输入电压跟踪范围，降低光伏发电对太阳能的实际利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器，旨在解决现有的太阳能MPPT控制器的输入电压跟踪范围小、光伏模组的转换效率低及太阳能光伏发电系统对太阳能实际利用效率低的问题。

本发明是这样实现的，一种太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器，与所述太阳能MPPT控制器的脉宽调制器及外部的储能元件连接，所述脉宽调制器对所述N-BUCK变换器的电流或电压进行检测并输出相应的脉宽调制信号；N-BUCK变换器包括电容C2，所述电容C2连接于所述储能元件的正极和负极之间；

所述N-BUCK变换器还包括：

开关管、储能模块及电流引导模块；

所述开关管的输入端接输入直流电的正极，所述开关管的控制端和输出端分别与所述脉宽调制器和所述储能模块的第一输入端连接，所述储能模块的第二输入端连接所述电流引导模块的输出端，所述储能模块的输出端和所述电流引导模块的输入端分别连接所述电容C2的第一端和第二端，所述电流引导模块的输入端还连接所述输入直流电的负极；

所述开关管根据所述脉宽调制器所输出的脉宽调制信号以相应的高低电平实现通断操作，所述储能模块根据所述开关管的通断对所述储能元件进行相应的充电工作，且在所述开关管处于导通状态时对所述储能元件充电，而在所述开关管处于关断状态时通过所述电流引导模块对所述储能元件进行充电。

本发明的另一目的还在于提供一种MPPT太阳能控制器，所述MPPT太阳能控制器包括脉宽调制器以及上述的N-BUCK变换器。

本发明通过在太阳能MPPT控制器中采用包括开关管、储能模块及电流引导模块的N-BUCK变换器，由开关管根据脉宽调制器所输出的脉宽调制信号以相应的高低电平实现通断操作，储能模块在开关管处于导通状态时对储能元件充电，而在开关管处于关断状态时通过电流引导模块对储能元件进行充电，进而在输入电压相同时使开关管工作于较低的占空比条件下实现输出电压等于现有技术需要在高占空比条件下所输出的电压，N-BUCK变换器与现有的BUCK变换器相比不易达到饱和点（即最大占空比），现有的BUCK变换器因占空比饱和无法实现MPPT功能，而N-BUCK变换器仍然可以实现MPPT功能，其提高了光伏模组的MPPT控制器的输入电压可跟踪的有效范围，从而提升了光伏模组的转换效率及太阳能光伏发电系统对太阳能的实际利用效率，解决了现有的MPPT太阳能控制器的输入电压跟踪范围小、光伏模组的转换效率低及太阳能光伏发电系统对太阳能实际利用效率低的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器的模块结构图；

图2是本发明一实施例提供的太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器的示例电路结构图；

图3是本发明另一实施例提供的太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器的示例电路结构图。

图4是本发明实施例所提供的太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器与储能电容C1的连接结构示意图；

图5是本发明实施例所提供的太阳能MPPT控制器与蓄电池的连接结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过在太阳能MPPT控制器中采用包括开关管、储能模块及电流引导模块的N-BUCK变换器，由开关管根据脉宽调制器所输出的脉宽调制信号以相应的高低电平实现通断操作，储能模块在开关管处于导通状态时对储能元件充电，而在开关管处于关断状态时通过电流引导模块对储能元件进行充电，进而在输入电压相同时使开关管工作于较低的占空比条件下实现输出电压等于现有技术需要在高占空比条件下所输出的电压，N-BUCK变换器与现有的BUCK变换器相比不易达到饱和点（即最大占空比），现有的BUCK变换器因占空比饱和无法实现MPPT功能，而N-BUCK变换器仍然可以实现MPPT功能，其提高了光伏模组的MPPT控制器的输入电压可跟踪的有效范围，从而提升了光伏模组的转换效率及太阳能光伏发电系统对太阳能的实际利用效率。

图1示出了本发明实施例提供的太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

N-BUCK变换器100与太阳能MPPT控制器的脉宽调制器200及外部的储能元件300连接，脉宽调制器200对N-BUCK变换器100的电流或电压进行检测并输出相应的脉宽调制信号；N-BUCK变换器100包括电容C2，电容C2连接于储能元件300的正极和负极之间。

N-BUCK变换器100还包括开关管101、储能模块102及电流引导模块103。

开关管101的输入端接输入直流电DC的正极+，开关管101的控制端和输出端分别与脉宽调制器200和储能模块102的第一输入端连接，储能模块102的第二输入端连接电流引导模块103的输出端，储能模块102的输出端和电流引导模块103的输入端分别连接电容C2的第一端和第二端，电流引导模块103的输入端还连接输入直流电DC的负极-。

开关管101根据脉宽调制器200所输出的脉宽调制信号以相应的高低电平实现通断操作，储能模块102根据开关管101的通断对储能元件300进行相应的充电工作，且在开关管101处于导通状态时对储能元件300充电，而在开关管101处于关断状态时通过电流引导模块103对储能元件300进行充电。

在本发明实施例中，当储能模块102因工艺条件的限制而在其第一输入端处产生电压尖峰，则可以在电容C2的第二端与储能模块102的第一输入端之间加入一个二极管以消除电压尖峰，因此，N-BUCK变换器还包括二极管D1，二极管D1的阳极和阴极分别连接电容C2的第二端和储能模块102的第一输入端。如果储能模块102的工艺条件已达到相应的要求且产生电压尖峰小，则N-BUCK变换器中可以不使用二极管D1。

图2示出了本发明实施例提供的太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

在本发明实施例中，开关管101可以为MOS场效应管、三极管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor）或者其他具备开关特性的半导体开关器件。而在本实施例中是以开关管101为NMOS场效应管Q1为例进行说明的，NMOS场效应管Q1的漏极、栅极和源极分别为开关管101的输入端、控制端和输出端。

作为本发明一实施例，储能模块102为耦合电感L1，耦合电感L1的初级线圈的同名端1与次级线圈的同名端3分别为储能模块102的第一输入端和第二输入端，耦合电感L1的初级线圈的异名端2与次级线圈的异名端4共接形成储能模块102的输出端。

作为本发明一实施例，电流引导模块103为二极管D2，二极管D2的阳极和阴极分别为电流引导模块103的输入端输出端。

以下结合工作原理对上述的N-BUCK变换器100作进一步说明：

当脉宽调制器200所输出的脉宽调制信号控制开关管101导通时，耦合电感L1的初级线圈储能并为储能元件300充电；而当脉宽调制器200所输出的脉宽调制信号控制开关管101关断时，耦合电感L1的初级线圈的同名端1和异名端2的电位分别为负和正，则耦合电感L1的初级线圈的异名端2对储能元件300进行充电（耦合电感L1因制作工艺能力限制而存在漏感，则此时二极管D1导通以对耦合电感L1的初级线圈的同名端1进行电压钳位以克服漏感所产生的电压尖峰；如果耦合电感L1的漏感小于一定值且所产生的电压尖峰足够小，则此处可以不需要二极管D1），随后在耦合电感L1的次级线圈释放电能时，由次级线圈的异名端4通过储能元件300和二极管D2至次级线圈的同名端3形成通路，以对储能元件300进行充电。通过上述由脉宽调制信号对开关管101的通断进行反复的交替控制，使开关管101工作于较低占空比的条件下依然能达到与现有技术相同的输出电压，N-BUCK变换器100与现有的BUCK变换器相比不易达到饱和点（即最大占空比），现有的BUCK变换器因占空比饱和无法实现MPPT功能，而N-BUCK变换器100仍然可以实现MPPT功能，其提高了光伏模组的MPPT控制器的输入电压可跟踪的有效范围，从而提升了光伏模组的转换效率及太阳能光伏发电系统对太阳能的实际利用效率。其中，假设脉宽调制信号的占空比为D，该脉宽调制信号的周期为T，耦合电感L1中初级线圈与次级线圈的匝数比为1/n，耦合电感L1的电感量为L，耦合电感L1的初级线圈的输入直流电LDC电压值为V_in，电容C2两极的电压值（即N-BUCK变换器100的输出电压值）为V_out。

当N-BUCK变换器100工作于电感电流连续导通模式（CCM,ContinuousConduction Mode）时，耦合电感L1的初级线圈在储能后所流过的电流i₁与初级线圈的初始电流i₀的关系如下式所示：

$i_1=i_0+\frac{(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{out}})\·D\·T}{L}---\left(1\right)$

当耦合电感L1的初级线圈所流过的电流为i₁时，其次级线圈通过电磁耦合后所流过的初始电流i₂与i₁的关系如下式所示：

$i_2=\frac{i_1}{n}---\left(2\right)$

耦合电感L1的次级线圈在输出电流后，其所流过的电流i₃与i₂的关系式及耦合电感L1在一个放电周期结束时，其初级线圈所流过的电流i₄与i₃的关系式如下：

$i_3=i_2-\frac{V_{\mathrm{out}}\·(1-D)\·T}{n^2\·L}---\left(3\right)$

i₄=n·i₃    （4）

由于放电周期结束时，耦合电感L1的初级线圈所流过的电流会恢复为放电前的初始电流，即：

i₄=i₀    （5）

从上述关系式（1）、（2）、（3）、（4）及（5）可得到V_out与V_in的电压比为：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{n\·D}{1+(n-1)\·D}$

当N-BUCK变换器100工作于电感电流断续导通模式（DCM,DiscontinuousConduction Mode）时，耦合电感L1的初级线圈在储能后所流过的电流i₁与初级线圈的初始电流i₀（i₀=0）的关系如下式所示：

$i_1=i_0+\frac{(V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{out}})\·D\·T}{L}---\left(6\right)$

当耦合电感L1的初级线圈所流过的电流为i₁时，其次级线圈通过电磁耦合后所流过的初始电流i₂与i₁的关系如下式所示：

$i_2=\frac{i_1}{n}---\left(7\right)$

耦合电感L1的次级线圈在输出电流后，其所流过的电流i₃与i₂的关系式及耦合电感L1在一个放电周期结束时，其初级线圈所流过的电流i₄与i₃的关系式如下：

$i_3=i_2-\frac{V_{\mathrm{out}}\·D_1\·T}{n^2\·L}---\left(8\right)$

i₄=n·i₃    （9）

其中，D₁为脉宽调制信号于续流时间段内的占空比。

由于在断续时间段内的占空比不影响输入电压与输出电压的比值，所以在此不需要考虑。

由于放电周期结束时，耦合电感L1的初级线圈所流过的电流会恢复为放电前的初始电流，即：

i₄=i₀    （10）

从上述关系式（6）、（7）、（8）、（9）及（10）可得到V_out与V_in的电压比为：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{n\·D}{n\·D+D_1}$

由于现有的MPPT控制器工作于CCM和DCM时，V_out与V_in的电压比分别为D和当本实施例中的V_out和V_in分别与现有的MPPT控制器的输入电压和输出电压相同时，本实施例所需要的占空比D会小于现有的MPPT控制器的占空比D，因此，本实施例所提供的N-BUCK变换器100在输入电压与现有的MPPT控制器的输入电压相同时，能够以相对较小的占空比实现输出电压与现有的MPPT控制器的输出电压相同，N-BUCK变换器与现有的BUCK变换器相比不易达到占空比饱和点（即最大占空比），现有的BUCK变换器因占空比饱和无法实现MPPT功能，而N-BUCK变换器仍然可以实现MPPT功能，其提高了光伏模组的MPPT控制器的输入电压可跟踪的有效范围，从而提升了光伏模组的转换效率及太阳能光伏发电系统对太阳能的实际利用效率。

图3示出了本发明另一实施例提供的太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

在本发明另一实施例中，开关管101和电流引导模块103的内部结构与图2所示的一致，因此不再赘述。而对于储能模块102，其为耦合电感L2，耦合电感L2的初级线圈的同名端1与次级线圈的异名端4共接形成储能模块102的第一输入端，耦合电感L2的初级线圈的异名端2和次级线圈的同名端3分别为储能模块102的输出端和第二输入端。

在本实施例中，N-BUCK变换器100的工作原理如下：

当脉宽调制器200所输出的脉宽调制信号控制开关管101导通时，耦合电感L1的初级线圈储能并为储能元件300充电；而当脉宽调制器200所输出的脉宽调制信号控制开关管101关断时，耦合电感L2的初级线圈的同名端1和异名端2的电位分别为负和正，则耦合电感L2的初级线圈的异名端2对储能元件300进行充电（耦合电感L2因制作工艺能力限制而存在漏感，则此时二极管D1导通以对耦合电感L2的初级线圈的同名端1进行电压钳位以克服漏感所产生的电压尖峰；如果耦合电感L2的漏感小于一定值且所产生的电压尖峰足够小，则此处可以不需要二极管D1），随后在耦合电感L2的次级线圈释放电能时，由次级线圈的异名端4通过初级线圈、储能元件300和二极管D2至次级线圈的同名端3形成通路，以对储能元件300进行充电。

与图2所示的N-BUCK变换器100不同的是，本实施例中的耦合电感L2的初级线圈与次级线圈的匝数比为1/(n-1)。假设脉宽调制信号的占空比为D，该脉宽调制信号的周期为T，耦合电感L2的电感量为L，耦合电感L2的初级线圈所输入的低压直流电LDC的电压值为V_in，电容C2两极的电压值（即N-BUCK变换器100的输出电压值）为V_out。

当N-BUCK变换器100工作于电感电流连续导通模式（CCM,ContinuousConduction Mode）时，V_out与V_in的电压比同样为：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{n\·D}{1+(n-1)\·D}$

当N-BUCK变换器100工作于电感电流断续导通模式（DCM,DiscontinuousConduction Mode）时，V_out与V_in的电压比同样为：

$\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{n\·D}{n\·D+D_1}$

由于现有的MPPT控制器工作于CCM和DCM时，V_out与V_in的电压比分别为D和当本实施例中的V_out和V_in分别与现有的MPPT控制器的输入电压和输出电压相同时，本实施例所需要的占空比D会小于现有的MPPT控制器的占空比D，因此，本实施例所提供的N-BUCK变换器100能够在输入电压与现有的MPPT控制器的输入电压相同时，以相对较小的占空比实现输出电压与现有的MPPT控制器的输出电压相同，N-BUCK变换器100与现有的BUCK变换器相比不易达到饱和点（即最大占空比），现有的BUCK变换器因占空比饱和无法实现MPPT功能，而N-BUCK变换器100仍然可以实现MPPT功能，其提高了光伏模组的MPPT控制器的输入电压可跟踪的有效范围，从而提升了光伏模组的转换效率及太阳能光伏发电系统对太阳能的实际利用效率。

本发明实施例的另一目的还在于提供一种太阳能MPPT控制器，该MPPT太阳能控制器包括上述N-BUCK变换器100和脉宽调制器200。

在本发明实施例中，储能元件300可以为一储能电容C1（如图4所示）或电池组BT（如图5所示）；如果将上述N-BUCK变换器100应用于太阳能MPPT控制器中，电池组BT与N-BUCK变换器100的连接关系如图5所示。

本发明实施例通过在太阳能MPPT控制器中采用包括开关管、储能模块及电流引导模块的N-BUCK变换器，由开关管根据脉宽调制器所输出的脉宽调制信号以相应的高低电平实现通断操作，储能模块在开关管处于导通状态时对储能元件充电，而在开关管处于关断状态时通过电流引导模块对储能元件进行充电，进而在输入电压相同时使开关管工作于较低的占空比条件下实现输出电压等于现有技术需要在高占空比条件下所输出的电压，N-BUCK变换器与现有的BUCK变换器相比不易达到饱和点（即最大占空比），现有的BUCK变换器因占空比饱和无法实现MPPT功能，而N-BUCK变换器仍然可以实现MPPT功能，其提高了光伏模组的MPPT控制器的输入电压可跟踪的有效范围，从而提升了光伏模组的转换效率及太阳能光伏发电系统对太阳能的实际利用效率，解决了现有的MPPT太阳能控制器的输入电压跟踪范围小和光伏模组的转换效率低及太阳能光伏发电系统对太阳能实际利用效率低的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太阳能MPPT控制器的N-BUCK变换器，与所述太阳能MPPT控制器的脉宽调制器及外部的储能元件连接，所述脉宽调制器对所述N-BUCK变换器的电流或电压进行检测并输出相应的脉宽调制信号；N-BUCK变换器电路包括电容C2，所述电容C2连接于所述储能元件的正极和负极之间；其特征在于，所述N-BUCK变换器还包括：

开关管、储能模块及电流引导模块；

所述开关管的输入端接输入直流电的正极，所述开关管的控制端和输出端分别与所述脉宽调制器和所述储能模块的第一输入端连接，所述储能模块的第二输入端连接所述电流引导模块的输出端，所述储能模块的输出端和所述电流引导模块的输入端分别连接所述电容C2的第一端和第二端，所述电流引导模块的输入端还连接所述输入直流电的负极；

所述开关管根据所述脉宽调制器所输出的脉宽调制信号以相应的高低电平实现通断操作，所述储能模块根据所述开关管的通断对所述储能元件进行相应的充电工作，且在所述开关管处于导通状态时对所述储能元件充电，而在所述开关管处于关断状态时通过所述电流引导模块对所述储能元件进行充电；

所述N-BUCK变换器还包括二极管D1，所述二极管D1的阳极和阴极分别连接所述电容C2的第二端和所述储能模块的第一输入端；

所述储能模块为耦合电感L1，所述耦合电感L1的初级线圈的同名端与次级线圈的同名端分别为所述储能模块的第一输入端和第二输入端，所述耦合电感L1的初级线圈的异名端与次级线圈的异名端共接形成所述储能模块的输出端；或者，所述储能模块为耦合电感L2，所述耦合电感L2的初级线圈的同名端与次级线圈的异名端共接形成所述储能模块的第一输入端，所述耦合电感L2的初级线圈的异名端和次级线圈的同名端分别为所述储能模块的输出端和第二输入端。

2.如权利要求1所述的N-BUCK变换器，其特征在于，所述开关管为MOS场效应管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。

3.如权利要求1所述的N-BUCK变换器，其特征在于，所述电流引导模块为二极管D2，所述二极管D2的阳极和阴极分别为所述电流引导模块的输入端和输出端。

4.一种太阳能MPPT控制器，包括脉宽调制器，其特征在于，所述太阳能MPPT控制器还包括如权利要求1至3任一项所述的N-BUCK变换器。