CN104854528A

CN104854528A - 用于控制最大功率点跟踪控制器的系统和方法

Info

Publication number: CN104854528A
Application number: CN201280077714.1A
Authority: CN
Inventors: A·J·斯特拉塔克斯; M·D·麦克吉姆赛; I·耶尔格维奇; K·姚; X·张; V·W·吴
Original assignee: Wal Tai La Semiconductor Co
Current assignee: Wal Tai La Semiconductor Co; Volterra Semiconductor LLC
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: DE112012007202T5; CN104854528B; WO2014062168A1; DE112012007202B4

Abstract

本发明描述了用于操作包括适于在输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路的最大功率点跟踪(MPPT)控制器的方法，其包括如下步骤：(a)在所述MPPT控制器的第一操作模式中，使所述开关电路的第一开关器件以固定占空比进行操作；以及(b)在所述MPPT控制器的第二操作模式中，使所述开关电路的控制开关器件在其导通与非导通状态之间反复切换，以使从电耦合到所述输入端口的光伏器件提取的功率的量最大化。

Description

用于控制最大功率点跟踪控制器的系统和方法

背景技术

光伏电池产生随电流、电池操作条件、电池物理性质、电池缺陷和电池照明发生变化的电压。如图1所示，用于光伏电池的一种数学模型将输出电流模型化为：

I = I_{L} - I_{0} {\exp [\frac{q (V + {IR}_{S})}{n k T}] - 1} - \frac{V + {IR}_{S}}{R_{S H}}

方程1

其中

I_L＝光生电流

R_S＝串联电阻

R_SH＝分流电阻

I₀＝反向饱和电流

n＝二极管理想因子(对于理想二极管为1)

q＝元电荷

k＝波耳兹曼常数

T＝绝对温度

I＝电池端子处的输出电流

V＝电池端子处的电压

对于25℃下的硅，kT/q＝0.0259伏特。

典型的电池输出电压较低并且取决于用于制造电池的材料的带隙。电池输出电压可能仅是硅电池的一半伏特，远低于为蓄电池充电或驱动大部分其它负载所需的电压。由于这些低电压，通常将电池串联连接在一起以形成模块或阵列，其具有比单个电池产生的电压高得多的输出电压。另外，有时将多个光伏电池的两个或更多串并联电耦合以增大容量。

现实的光伏电池常常具有一种或多种微观缺陷。这些电池缺陷可能导致串联电阻R_S、分流电阻R_SH和光生电流I_L在模块中的不同电池之间的失配。此外，电池照明可能在光伏电池的系统中的不同电池之间发生变化，并且甚至可能在模块中的不同电池之间发生变化，原因包括树木投下的阴影、电池或模块的鸟粪阴影部分、灰尘、污垢以及其它影响。照明中的这些失配可能每天都变化并且可能每天都随时间变化，阴影可能在一天内移动通过模块，并且雨水可能冲走遮蔽电池的灰尘或污垢。

从方程1可知，输出电压在零输出电流处最大，并且输出电压V随着输出电流I增大而非线性地下降。图2示出了在恒定照明下增大从光伏器件汲取的电流的效果。在电流I在恒定照明下增大时，电压V缓慢下降，但在电流I增大到接近光电流I_L的输出电流时，输出电压V急剧下降。类似地，电池功率(电流和电压之积)随电流I增大而增大，直到下降的电压V克服了增大电流的效果，此时进一步增大从电池汲取的电流I导致功率P迅速减小。因此，对于给定照明，每个电池、模块以及电池和模块的阵列具有最大功率点(MPP)，其表示来自器件的输出功率被最大化处的电压和电流组合。电池、模块或阵列的MPP将随着温度和照明而变化，并且因此，光生电流I_L改变。电池、模块或阵列的MPP还可能受到诸如电池、模块或阵列的遮蔽和/或老化之类的其它因素的影响。

已经提出了用于在光伏器件的最大功率点处或附近操作光伏器件的最大功率点跟踪(MPPT)控制器。这些控制器通常确定连接到其输入的光伏器件的MPP电压和电流并且调整控制器自己的有效阻抗以将光伏器件保持在MPP处。

光伏器件通常要接受一次或多次生产线测试。例如，常常使用“瞬间高压试验”来表征光伏器件，在该测试中将器件暴露于已知强度的光，例如“1个太阳辐射”(1000瓦每平方米)的光源，同时从开路到短路扫描器件两端的负载，反之亦然。在负载扫描期间记录电压和电流数据，并且根据所记录的数据来确定器件开路电压(Voc)、短路电流(Isc)和最大功率点(Pmp)。例如，这些器件特性用于确保器件质量和/或用于根据Voc、Isc和/或Pmp来将器件装箱。

作为另一示例，在器件生产期间常常对光伏器件进行一次或多次“电致发光”(EL)测试。EL测试包括：使测试电流在与电流正常流经器件的方向相反的方向上经过光伏器件，由此使器件发射红外光。对红外光进行成像以检测器件缺陷，例如器件裂缝，由此帮助确保器件的质量。

光伏器件还可以受到反向电流的作用，反向电流是在与正常操作的方向相反的方向上流经器件的电流。例如，考虑第一和第二光伏器件串并联电耦合并且每个串包括多个串联耦合的光伏器件的情形。如果这两个串具有相同的电流-电压特性，则正向电流将流经这两个串，其中串的电流-电压特性取决于其物理性质和其操作条件。例如，考虑第一串暴露于强太阳光并且第二串被最大程度遮挡的情况。该照明差异将使第一串产生比第二串大的光生电流，以使这两个串具有不同的电流-电压特性，这可能会导致反向电流流经第二串。

发明内容

在实施例中，用于操作包括适于在输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路的最大功率点跟踪(MPPT)控制器的方法包括如下步骤：(a)在MPPT控制器的第一操作模式中，使开关电路的第一开关器件以固定占空比进行操作；以及(b)在MPPT控制器的第二操作模式中，使开关电路的控制开关器件在其导通与非导通状态之间反复切换，以使从电耦合到输入端口的光伏器件提取的功率的量最大化。

在实施例中，用于测试电耦合到最大功率点跟踪(MPPT)控制器的输入端口的光伏器件的方法包括如下步骤，其中MPPT控制器包括适于在MPPT控制器的输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路：(a)将测试电流驱动到MPPT控制器的输出端口中；(b)检测测试电流的存在；以及(c)响应于检测到测试电流的存在，使开关电路为测试电流提供从输出端口到光伏器件的路径。

在实施例中，最大功率点跟踪(MPPT)控制器包括输入端口和输出端口、适于在输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路、以及控制子系统。控制子系统适于：(a)在MPPT控制器的第一操作模式中，使开关电路的第一开关器件以固定占空比进行操作；以及(b)在MPPT控制器的第二操作模式中，使开关电路的控制开关器件在其导通与非导通状态之间反复切换，以使从电耦合到输入端口的光伏器件提取的电功率的量最大化。

附图说明

图1示出了光伏电池的一个模型。

图2示出了电压和功率与一个光伏电池的电流的函数关系的曲线图。

图3示出了根据实施例的包括MPPT控制器的光伏电力系统，MPPT控制器包括至少两种操作模式。

图4示出了根据实施例的图3的电力系统中的光伏器件的EL测试。

图5示出了根据实施例的图3的电力系统中的光伏器件的瞬间高压测试。

图6示出了根据实施例的图3的电力系统中的光伏器件的反向电流操作。

图7示出了根据实施例的操作图3的MPPT控制器的一种可能的方法。

图8示出了根据实施例的判断固定占空比操作模式是否适当的一种方法。

图9示出了根据实施例的判断固定占空比操作模式是否适当的另一种方法。

图10示出了根据实施例的判断何时退出固定占空比操作模式的一种方法。

图11示出了根据实施例的判断何时退出固定占空比操作模式的另一种方法。

图12示出了根据实施例的包括MPPT控制器的另一种光伏电力系统，MPPT控制器包括至少两种操作模式。

图13示出了根据实施例的包括多个MPPT控制器的光伏电力系统，其中每个MPPT控制器包括至少两种操作模式。

图14示出了根据实施例的包括图3的MPPT控制器的三个并联耦合的串的光伏电力系统。

图15示出了光伏电池的反向电流与电压的关系的曲线图。

图16示出了根据实施例的线性输出电流-电压特性的一个示例。

图17示出了根据实施例的非线性输出电流-电压特性的一个示例。

具体实施方式

如上所述，MPPT控制器可以用于在光伏器件的MPP处或其附近操作光伏器件。然而，常规MPPT控制器通常会干扰光伏器件生产线测试。例如，如果进行EL测试，常规MPPT控制器可能会阻碍反向测试电流和/或发生过热。作为另一示例，常规MPPT控制器的传输特性将在瞬间高压测试期间改变，从而干扰Voc、Isc和Pmp的确定。因此，光伏器件通常不能在器件生产线测试期间电耦合到常规MPPT控制器。

常规MPPT控制器的该限制在多个MPPT控制器与多个光伏器件封装在一起的应用中是尤其严重的缺点。在这些应用中，MPPT控制器通常提供光伏器件之间的互连的一部分。因此，在生产线测试期间需要临时连接器来将光伏器件互连，因为MPPT控制器在测试期间不能存在。

另外，常规MPPT控制器在受到反向电流作用时可能会过热或在其它情况下进行不适当的操作。因此，常规MPPT控制器可能不适于并联耦合串应用。

然而，申请人已经开发了部分或完全克服上述问题中的一个或多个问题的MPPT控制器。这些MPPT控制器除了一个或多个其它操作模式之外还包括固定占空比操作模式，因此允许控制器用在一个或多个生产线测试期间和/或用于反向电流中。例如，控制器的某些实施例支持瞬间高压和/或EL测试。因此，本文描述的新型MPPT控制器可能简化光伏器件生产和测试，尤其是在包括许多封装在一起的光伏器件和MPPT控制器的应用中。

图3示出了包括电耦合在光伏器件304与负载306之间的MPPT控制器302的电力系统300。如下所述，MPPT控制器302至少支持固定占空比操作模式和MPPT操作模式，由此可能允许对具有电耦合于其上的MPPT控制器302的光伏器件304进行生产线测试、并可能支持反向电流操作。

MPPT控制器302包括输入端口308和输出端口314，输入端口308包括输入端子310、312，输出端口314包括输出端子316、318。光伏器件304的正端子320电耦合到输入端子310，并且光伏器件304的负端子322电耦合到输入端子312，以使光伏器件304与输入端口308串联电耦合。端子310、320形成正功率节点或轨(Vddh)的部分，并且端子312、322形成参考功率节点或轨(Vss)的部分。光伏器件304例如是光伏模块，其包括多个互连的光伏电池、单结光伏电池或多结光伏电池。

系统300任选地包括电耦合在输入端口308两端的一个或多个输入电容器324。电容器324有助于供应控制器302输入电流Iin的纹波分量，由此有助于使流经光伏器件304的纹波电流的大小最小化。通过光伏器件304的低纹波电流大小又促进了有效率的器件操作。在MPPT控制器302以相对高的频率(例如500千赫兹或更大)进行切换的某些实施例中，电容器324是多层陶瓷电容器，以促进小电容器尺寸和长电容器寿命。

MPPT控制器302包括电耦合在输入端口308两端的开关电路326。开关电路326包括电耦合在输入端子310与开关节点Vx之间的控制开关器件328、以及电耦合在开关节点Vx与输入端子312之间的续流开关器件330。输出端子316电耦合到开关节点Vx，并且输出端子318电耦合到输入端子312。在本文中，开关器件包括但不限于双极结型晶体管、场效应晶体管(例如，N沟道或P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，例如横向扩散金属氧化物半导体晶体管(LDMOS)、结型场效应晶体管、金属半导体场效应晶体管)、绝缘栅双极结型晶体管、闸流晶体管、或硅控整流器。尽管开关器件328、330被示为N沟道增强型场效应晶体管，但开关器件328、330在不脱离本文的范围的情况下可以被替换为替代的开关器件。

负载306与输出端口314串联电耦合，以形成将负载306电耦合到开关电路326的输出电路332的一部分。负载306包括例如逆变器或蓄电池充电器。一个或多个输出电容器334电耦合在负载306两端以吸收输出电流Iout的纹波分量。尽管在负载306包括很大电容的实施例中，例如在负载306是具有很大输入电容的逆变器的实施例中，任选地省去电容器334。在MPPT控制器302以相对高的频率(例如500千赫兹或更大)进行切换的某些实施例中，电容器334是多层陶瓷电容器，以促进小电容器尺寸和长电容器寿命。输出电路332包括能量存储电感336。在一些实施例中，能量存储电感336包括一个或多个分立的电感器，如图3中所象征性表示的。然而，在一些其它实施例中，省去了分立的能量存储电感器，并且与形成输出电路332的环路相关联的“寄生”互连电感用作能量存储电感336。

MPPT控制器302还包括控制子系统338。开关电路326、能量存储电感336和电容器334共同形成由控制子系统338控制的降压转换器。在控制器302的MPPT操作模式中，控制子系统338适于控制开关电路326的开关，以使降压转换器将功率从输入端口308传输到输出端口314，由此将功率从光伏器件304传输到负载306。具体地，控制子系统338使控制开关器件328通常以至少100千赫兹的频率在其导通与非导通状态之间反复切换，以将功率从输入端口308传输到输出端口314。开关器件328被称为“控制”开关器件，因为负载306两端的输入电压Vin与输出电压Vout之比是开关器件328的占空比的函数。

控制子系统338还控制续流开关器件330的开关，以使其执行续流功能，或者换言之，以使续流开关器件330在控制开关器件328处于其非导通状态时为在输出端子316、318之间流动的输出电流Iout提供路径。在一些替代的实施例中，续流开关器件330被替换为替代的续流器件，例如阳极电耦合到参考节点Vss并且阴极电耦合到开关节点Vx的二极管。

MPPT控制器302任选地还包括电流再现器子系统340，其适于产生表示流出输出端口314的输出电流Iout的信号Io。在一些实施例中，电流再现器子系统340采用在Stratakos等人的美国专利No.6160441和6445244中的一个或多个中公开的系统和方法来产生信号Io，通过引用的方式将上述美国专利中的每一个并入本文。然而，在不脱离本文的范围的情况下可以采用其它方式来实施电流再现器子系统340。在一些实施例中，信号Io用于MPPT，以检测光伏器件304的测试和/或检测反向电流，即，检测输出电流Io何时具有负值。

MPPT控制器302任选地还包括电压调节器342，其根据Vddh/Vss产生“家务”电源节点或轨(Vcc)。例如，Vcc用于至少部分地对子系统338进行功率控制，如图所示。

尽管输入电容器324、输出电容器334和能量存储电感336被示为位于MPPT控制器302外部，但可以将这些部件中的一个或多个集成在控制器302内而不脱离本文的范围。另外，在某些实施例中，在公共集成电路中实施MPPT控制器302中的一些或全部，以便促进小尺寸、部件之间的小寄生阻抗和快速信号传输时间。在这些实施例中，任选地将集成电路与光伏器件304封装在一起，以促进小系统尺寸以及器件304与控制器302之间的最小阻抗。然而，MPPT控制器302不限于集成电路实施方式，并且反而可以部分地或完全由分立的部件形成。

如上所述，MPPT控制器302具有至少两种操作模式，即MPPT操作模式和固定占空比操作模式。在MPPT操作模式中，控制子系统338使控制开关器件328在其导通与非导通状态之间反复切换，以至少大体上使从光伏器件304提取并传送到负载306的功率的量最大化。例如，在一些实施例中，控制子系统338使进入输入端口308的功率最大化，由此使从光伏器件304提取的功率最大化。在一些其它实施例中，控制子系统338使输出端口314输出的功率最大化，这会有效地使从光伏器件304提取的功率最大化，因为输出端口314输出的功率与进入输入端口308的功率相同，忽略MPPT控制器302中的损耗。

MPPT控制器302可以被配置为直接使MPPT操作模式中的输入端口或输出端口功率最大化。例如，在一些实施例中，控制子系统338根据输入电压Vin与输入电流Iin的乘积来估计输入功率并且控制开关电路326的操作以使输入功率最大化。作为另一示例，在一些其它实施例中，控制子系统338根据输出电流Iout与输出电压Vout的乘积、或开关节点电压Vp的平均值来估计输出功率，并且控制开关电路326的操作以使输出功率最大化。然而，MPPT控制器302可以替代地被配置为通过使与输入端口或输出端口功率相关的信号最大化来使输入或输出端口功率最大化。例如，在输出电流Iout实质上恒定的特定实施例中，控制器338通过使输出电压Vout或开关节点/输出端口电压Vp的平均值最大化来使输出端口功率最大化。

在固定占空比操作模式中，控制子系统338使控制开关器件328以固定占空比进行操作，以获得输入端口308与输出端口314之间的已知的直流(DC)变换。在许多实施例中，如下文所述，控制子系统338使控制开关器件328以诸如百分之九十或百分之百的占空比之类的大固定占空比进行操作，以方便测试并使损耗最小化。在本文的语境中，“占空比”是指每个开关循环中的开关器件以其导通状态进行操作的部分。例如，考虑控制开关器件328以100千赫兹的频率在其导通与非导通状态之间切换，以使开关器件328具有十微秒的开关周期的情形。如果控制开关器件328在每个开关周期以其导通状态操作九微秒，则控制开关器件328具有百分之九十的占空比。如果控制开关器件328以其导通状态连续操作，则控制开关器件328具有百分之百的占空比。

以固定占空比操作控制开关器件328便于在瞬间高压测试期间根据所测量的Iout和Vout值来确定Voc、Isc和Pmp。具体而言，在控制开关器件328以固定占空比操作时，MPPT控制器302作为固定DC转换器进行操作，以使以下关系在连续导通模式操作期间成立，其中D是控制开关器件328的占空比：

Vout＝D*Vin 方程2

Iout＝Iin/D 方程3

因此，在以固定占空比操作时，可以简单地通过将所测量的输出电压Vo和输出电流Io值缩放D倍来确定光伏器件304的电压和电流。相反，如果MPPT控制器302在瞬间高压测试期间未以固定占空比进行操作，则难以根据所测量的Vo和Io值来确定光伏器件304的电压和电流，因为占空比会由于MPPT操作而变化。

另外，以固定占空比操作控制开关器件328通过使流经光伏器件304的测试电流的大小容易被测量来便于EL测试。如上所述，控制器输入和输出电流之比是占空比的函数。因此，如果占空比是固定的，则可以简单地通过对施加到输出端口314的EL测试电流的大小进行缩放来确定流经光伏器件304的EL测试电流的大小。相反，如果MPPT控制器302在EL测试期间未以固定占空比操作，则难以根据施加到输出端口314的电流来确定光伏器件304的电流的大小，因为占空比会由于MPPT操作而变化。

此外，以大占空比操作控制开关器件328通过促进低电流大小而便于瞬间高压和EL测试、以及反向电流操作。从方程3可以确定，控制器输出电流大小与控制器输入电流大小成反比。因此，对于给定的输入电流大小，通过以诸如至少百分之九十的占空比之类的大占空比进行操作来使输出电流大小最小化。低输出电流大小又促进了低的控制器302损耗，因为控制器302中的损耗通常随输出电流大小的增大而增大。控制器302中的低损耗有助于在瞬间高压测试、EL测试和反向电流操作期间使发热最小化。控制器302中的低损耗还有助于使瞬间高压和EL测试期间需要的电流的大小最小化。低的控制器302损耗在EL测试期间可能尤其重要，因为EL测试通常需要相对高的测试电流大小。

尽管本文中结合固定占空比操作总体上论述了反向电流操作，但应当认识到，在反向电流操作期间占空比不必是固定的，因为不需要固定的DC变换。相反，如上所述，仅需要诸如百分之九十或更大的大占空比来获得低损耗。

图4示出了对具有电耦合到其上的MPPT控制器302的光伏器件304进行EL测试的一个示例。与输出端口314串联电耦合的测试电流源402向输出端口314中注入测试电流I_test。I_test被认为是“反向”测试电流，因为其在正常系统操作期间在与输出电流Iout的方向相反的方向上流入输出端口314。MPPT控制器302以其固定占空比模式进行操作，其中，控制子系统338使控制开关器件328以固定占空比进行操作，并且由此在输入端口308与输出端口314之间提供已知的DC变换。电流I_test在与正常操作的方向相反的方向上流经光伏器件304，使光伏器件304发射红外光404，出于器件质量保证的目的而对红外光进行成像。在能量存储电感336为一个或多个分立的电感器的实施例中，在EL测试期间任选地省去电感336。

图5示出了对具有电耦合到其上的MPPT控制器302的光伏器件304进行瞬间高压测试的一个示例。光源502将已知强度的光504投射在光伏器件304上，同时从开路到短路扫描负载506。在负载扫描期间记录输出电压Vout和输出电流Iout，并且这些值用于确定光伏器件304的Voc、Isc和Pmp。MPPT控制器302在瞬间高压测试期间以其固定占空比模式进行操作，以使控制子系统338使控制开关器件328以固定占空比开关。以固定占空比操作控制开关器件328在光伏器件304与负载506之间提供已知的DC变换，由此便于负载扫描期间的输出电流Iout的测量。在能量存储电感336为一个或多个分立的电感器的实施例中，在瞬间高压测试期间任选地省去电感336。

图6示出了具有电耦合到其上的MPPT控制器302的光伏器件304的反向电流操作的一个示例。诸如一个或多个并联耦合的光伏器件之类的外部电路(未示出)将反向电流I_reverse驱动到输出端口314中。I_reverse被认为是“反向”电流，因为其在正常系统操作期间在与输出电流Iout的方向相反的方向上流入输出端口314。MPPT控制器302以其固定占空比模式进行操作，其中，控制子系统338使控制开关器件328以大的固定占空比进行操作，并且由此为反向电流I_reverse提供用于流经光伏器件304的路径。如上所述，反向电流操作不需要固定占空比。因此，在一些替代的实施例中，控制开关器件328在传导I_reverse时以大的非固定占空比(例如百分之九十或更大)进行操作。

控制子系统338任选地适于在开始以MPPT控制器302的固定占空比操作模式操作MPPT控制器302时使控制开关器件328的占空比斜坡上升到其固定占空比，而不是直接以固定占空比开始。占空比变化的这种控制(有时被称为“软起动”)有助于消除与操作状态变化相关联的寄生回响(parasitic ringing)。

在一些实施例中，控制子系统338使MPPT控制器302在每次MPPT控制器302启动时以其固定占空比模式进行操作。在一些其它实施例中，MPPT控制器302响应于外部信号而以其固定占空比模式进行操作，外部信号例如是由被配置为执行瞬间高压和/或EL测试的测试设备所产生的信号。在某些实施例中，控制子系统338判断固定占空比模式操作是否适当，并且如果是，则以控制器302的固定占空比操作模式操作控制器302。

例如，图7示出了操作MPPT控制器302的方法700，方法700包括判断固定占空比模式操作是否适当。例如，如果适当的话，则在MPPT控制器302启动时执行方法700，以使控制器302以其固定占空比模式启动。然而，方法700不限于在控制器302启动时使用，并且可以在其它状况下(例如在故障状况之后)执行。

方法700开始于决策步骤702，其判断固定占空比模式操作是否适当。步骤702的示例是控制子系统338判断固定占空比模式操作是否适当。以下关于图8和9论述步骤702的一些具体示例。如果决策步骤702判断固定占空比模式操作不适当，则方法700进行到MPPT操作模式704。步骤704的示例是控制子系统338以其MPPT操作模式来操作MPPT控制器302。

另一方面，如果决策步骤702判断固定占空比模式操作适当，则方法700进行到固定占空比模式操作步骤706。步骤706的一个示例是控制子系统338使控制开关器件328以至少百分之九十的固定占空比进行操作。决策步骤708判断固定占空比模式操作是否完成。如果未完成，则继续固定占空比模式操作706。如果固定占空比模式操作完成，则方法进行到MPPT操作模式704。步骤708的示例是控制子系统338判断固定占空比模式操作是否完成。以下关于图10和11来论述步骤708的一些具体示例。

方法700可以被修改为包括除MPPT模式704和固定占空比模式706之外的一种或附加的操作模式。例如，一些替代的实施例还包括旁路操作模式，其中控制开关器件328以其非导通状态进行操作，并且续流开关器件330以其导通状态进行操作。在这些替代的实施例中，如果固定占空比模式操作不适当或已完成、并且输入电压Vin的大小过低而无法证明MPPT操作是正确的，则例如从决策步骤702或708进入旁路操作模式。例如，如果Vin的大小充分上升到支持MPPT操作，则操作随后从旁路模式进行到MPPT操作方式704。

在一些实施例中，控制子系统338基于其操作环境的特性来判断固定占空比模式工作是否适当。例如，图8示出了判断固定占空比操作模式在MPPT控制器启动时是否适当的方法800。例如，方法800作为方法700的步骤702的一部分执行。然而，方法800并不限于用于方法700内，而是可以用于其它状况下。另外，步骤702并不限于用于方法800内。

方法800开始于决策步骤802，其在开关电路器件处于其非导通状态时，在启动时，在开关电路操作之前检测输出端口电压的存在。在这些状况下输出端口电压的存在指示正在从MPPT控制器的输出端口而不是输入端口为MPPT控制器供电，由此指示可能存在测试电流和EL测试。例如，考虑图4的EL测试示例。在该示例中，测试电流源402使电压Vp在开关电路326开始操作之前存在于输出端口314上。相反，如果不存在源402，则在开关电路326操作之前，输出端口电压Vp实质上通常为零，除非通过一些其它方式驱动输出端口314。因此，如果输出端口电压大小大于阈值，则决策步骤802判断固定占空比模式操作适当，其中阈值为零或小的正值。步骤802的一个示例是，在启动时，在开关电路326操作之前、并且开关器件328、330处于其非导通状态时，控制子系统338将开关节点或输出端口电压Vp、或表示Vp的信号与阈值比较，并且如果Vp大于阈值，则使MPPT控制器302以其固定占空比模式进行操作。

如果决策步骤802判断固定占空比模式操作不适当，则方法800继续在步骤804进入MPPT模式。然而，在一些替代的实施例中，方法在步骤804进入替代的操作模式，例如上述旁路模式，而不是MPPT模式。

另一方面，如果决策步骤802判断固定占空比模式操作适当，则方法800继续在步骤806中进入固定占空比操作模式。然而，如图所示，方法800的一些实施例包括任选的步骤808和810。这些步骤延迟进入固定占空比操作模式，直到MPPT控制器供电轨已达到支持可靠的控制器工作所需的电平。

具体而言，决策步骤808将控制器供电轨上的电压的大小(例如控制器302中的Vcc的大小)与可靠的MPPT控制器操作所需的最小值(Vmin)进行比较。如果供电轨电压大小大于或等于Vmin，则方法继续在步骤806中进入固定占空比操作模式。否则，操作进行到步骤810，其中禁用开关电路，以使其开关器件处于其非导通状态。方法800从步骤810返回到步骤808，以使开关电路保持禁用，直到供电轨电压达到Vmin。步骤808和810的一个示例是控制子系统338使开关器件328、330保持处于其非导通状态，直到Vcc达到可靠的转换器302操作所需的最小值。

在一些实施例中，在方法800中包括任选步骤808和810可以加快MPPT控制器302的启动。例如，再次考虑图4的EL测试示例。实施控制开关器件328的晶体管包括体二极管344，其具有电耦合到开关节点Vx的阳极和电耦合到输入端子310的阴极。因此，如图4中的电流I_diode所示，测试电流I_test流经体二极管344，在开关电路326可操作之前，进入正供电轨Vddh。测试电流为正供电轨Vddh充电。另外，测试电流经由正供电轨Vddh和调节器342为家务供电轨Vcc充电。因此，在固定占空比模式中，在EL测试期间或在反向电流操作期间，从输出端口314为供电轨Vddh和Vcc供电。使固定占空比模式操作延迟直到Vcc达到可靠的控制器302操作所需的最小值促进了Vddh/Vcc轨的快速充电和后续的固定占空比模式操作。另一方面，如果省略步骤808、810，则续流开关器件330可以在Vddh/Vcc轨的充电期间导通，由此使轨充电和固定占空比模式操作延迟。

图9示出了判断固定占空比操作模式是否适当的另一种方法900。例如，方法900作为方法700的步骤702的一部分执行。然而，方法900不限于用于方法700，而是可以用于其它状况。另外，步骤702不限于用于方法900。

方法900开始于步骤902，其判断从MPPT控制器的输出端口流出的电流是否具有负值，或者换言之，判断电流是否流入输出端口。这种状况表示利用测试电流的转换器以及相关联的EL测试或反向电流操作的可能的驱动。例如，再次考虑图4的EL测试示例。在EL测试期间，测试电流源402将测试电流I_test驱动到输出端口314中，以使Iout具有负值。作为另一示例，考虑图6的反向电流示例。外部电路(未示出)将反向电流I_reverse驱动到输出端口314中，以使Iout具有负值。因此，如果输出电流值小于阈值Ith，则固定占空比模式操作适当，其中Ith为零或接近零的值。尽管步骤902旨在检测输出电流何时为负，但仍然可能希望将Ith设定为除了零之外的值，例如稍低于零的值，以防止由于测量输出电流Iout时的误差而触发错误的固定占空比模式。步骤902的示例是控制子系统338将表示输出端口314输出的电流的信号Io与诸如零或接近零的值之类的阈值比较，并且在Io的大小小于阈值的情况下判断固定占空比模式操作适当。

如果决策步骤902判断固定占空比模式操作不适当，则方法900继续在步骤904进入MPPT模式。然而，在一些替代的实施例中，方法在步骤904进入替代的操作模式，例如上述旁路模式，而不是MPPT模式。

另一方面，如果决策步骤902判断固定占空比模式操作适当，则方法900继续在步骤906进入固定占空比操作模式。然而，如图所示，方法900的一些实施例包括任选的步骤908和910。与图8的步骤808和810类似的这些步骤延迟了进入固定占空比操作模式，直到MPPT控制器供电轨已经达到支持可靠控制器操作所需的电平。

图10示出了判断何时退出固定占空比操作模式的方法1000。例如，方法1000作为方法700的步骤708的一部分执行。然而，方法1000不限于用于方法700，而是可以用于在其它状况下判断何时退出固定占空比操作模式。另外，步骤708不限于用于方法1000。

方法1000开始于决策步骤1002，其判断预定量的时间是否已经到期。该预定量的时间被选择为有足够的时间能够完成可应用的光伏器件测试，例如EL和瞬间高压测试。如果预定量的时间未到期，则重复步骤1002；否则，方法继续在步骤1004进入MPPT模式。步骤1002、1004的示例是控制子系统338在固定占空比模式操作的开始启动计时器，并在经过预定量的时间之后进入MPPT模式。然而，在一些替代的实施例中，方法在步骤1004进入替代的操作模式，例如上述旁路模式，而不是MPPT模式。

图11示出了判断何时退出固定占空比操作模式的方法1100。例如，方法1100作为方法700的步骤708的一部分执行。然而，方法1100不限于用于方法700，而是可以用于在其它状况下判断何时退出固定占空比操作模式。另外，步骤708不限于用于方法1100。

方法1100开始于决策步骤1102，其判断输入端口两端的电压或作为输入端口电压的函数的电压是否已经下降到阈值以下。通常将阈值选择为零或接近零的值，以使步骤1102检测输入端口电压或相关电压何时大体上为零。零输入端口电压可以指示光伏器件测试结束。例如，在从开路到闭路扫描负载时，瞬间高压测试结束时的输入端口电压将实质上为零。作为另一示例，在去除EL测试电流源之后，输入端口电压可能下降到接近零。如果电压不低于阈值，则重复步骤1102；否则，方法继续在步骤1104中进入MPPT模式。

步骤1102、1104的一个示例是控制子系统338将输入端口电压Vin或供电轨Vcc电压与阈值比较，并且在电压低于阈值的情况下进入MPPT模式。然而，在一些替代的实施例中，方法在步骤1104进入替代的操作模式，例如上述旁路模式，而不是MPPT模式。

在一些应用中可能难以检测瞬间高压测试，因为电流在瞬间高压测试期间在其正常方向上流经光伏器件。因此，控制器302的一些实施例适于在完成EL测试之后保持处于其固定占空比操作模式，以允许在保持处于固定占空比操作模式的同时进行后续的瞬间高压测试。在检测到负输出电流的实施例中，例如上文关于图9所论述的实施例，也可以通过初始利用反向电流驱动输出端口来进入固定占空比模式。

还可以在具有除了降压型拓扑之外的拓扑(例如升压拓扑或降压-升压拓扑)的MPPT控制器应用中实施固定占空比操作模式。例如，图12示出了电力系统1200，其包括电耦合在光伏器件1204与负载1206之间的MPPT控制器1202。MPPT控制器1202类似于MPPT控制器302，但被配置为支持升压拓扑，而不是降压拓扑。

MPPT控制器1202包括输入端口1208和输出端口1214，输入端口1208包括输入端子1210、1212，输出端口1214包括输出端子1216、1218。光伏器件1204的正端子1220电耦合到输入端子1210，并且光伏器件1204的负端子1222电耦合到输入端子1212，以使光伏器件1204与输入端口1208串联电耦合。端子1210、1220形成正功率节点或轨(Vddh)的部分，并且端子1212、1222形成参考功率节点或轨(Vss)的部分。光伏器件1204例如是包括多个互连的光伏电池的光伏模块、单结光伏电池或多结光伏电池。

系统1200任选地包括电耦合在输入端口1208两端的一个或多个输入电容器1224。电容器1224有助于供应控制器1202输入电流Iin的纹波分量，由此有助于使流经光伏器件1204的纹波电流的大小最小化。MPPT控制器1202还包括电耦合在输入端口端子1210与开关节点Vx之间的能量存储电感1236。如图所示，能量存储电感1236可以包括一个或多个分立的电感器。

MPPT控制器1202还包括电耦合在能量存储电感1236与输出端子1214之间的开关电路1226。开关电路1226包括电耦合在开关节点Vx与输入和输出端口端子1212、1218之间的控制开关器件1228、以及电耦合在开关节点Vx与输出端子1216之间的续流开关器件1230。输出端子1218电耦合到输入端子1212。尽管开关器件1228、1230被示为N沟道增强型场效应晶体管，但在不脱离本文范围的情况下，开关器件1228、1230可以被替换为替代的开关器件。

负载1206与输出端口1214串联电耦合。负载1206包括例如逆变器或蓄电池充电器。一个或多个输出电容器1234电耦合在负载1206两端以吸收输出电流Iout的纹波分量。尽管如此，在负载1206包括很大电容的实施例中，例如在负载1206是具有很大输入电容的逆变器的实施例中，任选地省去电容器1234。

MPPT控制器1202还包括控制子系统1238。开关电路1226、能量存储电感1236和电容器1234共同形成由控制子系统1238控制的升压转换器。在控制器1202的MPPT操作模式中，控制子系统1238适于控制开关电路1226的开关，以使升压转换器从输入端口1208向输出端口1214传输功率，由此从光伏器件1204向负载1206传输功率。具体地，控制子系统1238使控制开关器件1228通常以至少100千赫兹的频率在其导通与非导通状态之间反复切换，以从输入端口1208向输出端口1214传输功率。开关器件1228被称为“控制”开关器件，因为负载1206两端的输入电压Vin与输出电压Vout之比是开关器件1228的占空比的函数。

控制子系统1238还控制续流开关器件1230的开关，以使其执行续流功能，或者换言之，以使续流开关器件1230在控制开关器件1228处于其非导通状态时为流经能量存储电感1236的电流提供路径。

MPPT控制器1202任选地还包括电流再现器子系统1240，其适于产生表示流出输出端口1214的输出电流Iout的信号Io。另外，在一些实施例中，MPPT控制器1202还包括电压调节器1242，其根据Vddh/Vss来产生“家务”电源节点或轨(Vcc)。如图所示，Vcc例如用于至少部分为控制子系统1238供电。

尽管输入电容器1224和输出电容器1234被示为位于MPPT控制器1202外部，但这些部件中的一个或多个可以集成在控制器1202内而不脱离本文的范围。另外，在能量存储电感1236是一个或多个分立的电感器的情况下，电感器可以设置在控制器1202外部。此外，在某些实施例中，MPPT控制器1202中的一些或全部可以在公共集成电路中实施，以促进小尺寸、部件之间的小寄生阻抗、以及快速信号传输时间。在这些实施例中，任选地将集成电路与光伏器件1204封装在一起，以促进小的系统尺寸以及器件1204与控制器1202之间的最小阻抗。然而，MPPT控制器1202不限于集成电路实施方式，而是可以部分或完全由分立的部件形成。

MPPT控制器1202具有至少两种操作模式，即MPPT操作模式和固定占空比模式。在MPPT操作模式中，控制子系统1238使控制开关器件1228在其导通与非导通状态之间反复切换，以至少大体上使从光伏器件1204提取并传送到负载1206的功率的量最大化。例如，在一些实施例中，控制子系统1238使进入输入端口1208的功率最大化，由此使从光伏器件1204提取的功率最大化。在一些其它实施例中，控制子系统1238使输出端口1214输出的功率最大化，这有效地使从光伏器件1204提取的功率最大化，因为输出端口1214输出的功率与进入输入端口1208的功率相同，忽略MPPT控制器1202中的损耗。

在固定占空比操作模式中，控制子系统1238使MPPT控制器1202采用与上文关于MPPT控制器302(图3)所论述的类似的方式来在输入与输出端口1208、1214之间提供固定DC变换，以便于光伏器件1204的测试或反向电流操作。具体地，控制子系统1238使控制开关器件1228以固定占空比进行操作，以在输入端口1208与输出端口1214之间获得固定的DC变换。然而，与MPPT控制器302相反，控制子系统1238通常使续流开关器件1230而不是控制开关器件1228以诸如至少百分之九十的占空比之类的大占空比进行操作。

例如，控制子系统1238适于使用与上文关于MPPT控制器302所论述的那些相似的一种或多种技术来判断何时以控制器1202的固定占空比模式来操作控制器1202、以及何时将控制器1202从其固定占空比模式切换到MPPT模式。例如，在一些实施例中，控制子系统1238适于采用与上文关于图8和9所论述的类似的方式来在输出端口1214的两端在启动时存在电压的情况下或在输出电流Iout具有负值的情况下判断固定占空比模式操作适当。作为另一示例，在一些实施例中，控制子系统1238适于采用与上文关于图10和11所论述的类似的方式来在预定量的时间到期之后、或在输入端口1208两端的电压下降到阈值以下的情况下退出固定占空比操作模式。

在降压-升压拓扑应用中，控制开关器件在固定占空比操作模式下以诸如大约百分之五十的占空比之类的固定占空比进行操作，以获得固定的DC变换。

包括固定占空比模式的MPPT控制器的使用不限于具有单个光伏器件和MPPT控制器的光伏电力系统。例如，图13示出了光伏应用中的包括MPPT控制器302的N个实例的光伏电力系统1300，其中N是大于一的整数。在本文中，可以通过使用括号中的数字来指代物品的具体实例(例如，MPPT控制器302(1))，而没有括号的数字指代任何这种物品(例如，MPPT控制器302)。MPPT控制器302的构成块中的一些未在图13中示出，以促进说明的清楚性。

每个MPPT控制器302的输入端口308都电耦合到公共光伏模块1305的相应的光伏器件1304。光伏器件1304例如是单个光伏电池或电互连的光伏电池组。然而，可以在不脱离本文的范围的情况下改变光伏器件1304的构造。例如，在一些替代的实施例中，光伏器件1304是分立的光伏器件并且不是公共模块的一部分。作为另一示例，在一些其它实施例中，两个或更多光伏器件1304具有不同构造。相应的输入电容器1324还电耦合在每个输入端口308两端。

MPPT控制器302的输出端口314与负载1306串联电耦合。一个或多个输出电容器1334电耦合在负载1306两端并且由N个MPPT控制器1302中的每一个共享。然而，在一些替代的实施例中，负载1306包含很大的电容，并且因此省去了电容器1334。另外，在一些其它替代的实施例中，每个MPPT控制器302都具有电耦合在输出端口314两端的相应的电容器(未示出)。

MPPT控制器302使用将开关电路326电耦合到负载1306的输出电路1332的互连电感1336作为能量存储电感。尽管该互连电感被象征性地示为单个元件，但其实际上是沿着形成输出电路1332的环路分布的。然而，一些替代的实施例包括与输出电路1332串联电耦合的一个或多个分立的电感器(未示出)。例如，在每个MPPT控制器302都具有电耦合在其输出端口314的相应的电容器的实施例中，通常需要每个MPPT控制器302都具有与其输出端口314串联电耦合的相应的分立电感器。

每个MPPT控制器302实质上以与上文关于包括单个MPPT控制器302实例的电力系统所论述的相同的方式进行操作。例如，在MPPT操作模式中，每个MPPT控制器302都使从其相应的光伏器件1304提取的功率最大化。另一方面，在固定占空比操作模式中，每个MPPT控制器进行操作以使其控制开关器件具有固定占空比。例如，可以通过利用可变负载替换负载1306、并在将光伏器件1304暴露于已知强度的光源的同时扫描负载电阻来执行瞬间高压测试。可以通过利用测试电流源替换负载1306、并在与正常输出电流Iout的方向相反的方向上将测试电流驱动到输出端口314来执行EL测试。

反向电流模式操作可能在具有并联电耦合的两个或更多MPPT控制器302的应用中带来电流共享挑战。例如，图14示出了包括三个并联耦合的串1403的光伏电力系统1400，其中每个串都包括具有串联电耦合的输出端口314的MPPT控制器302的三个实例。相应的光伏器件1404电耦合到每个控制器302的输入端口308。为了清除说明，仅示出了控制器302的输入和输出端口308、314。

考虑这样的情形：，串1403(1)由于串1403(2)、1403(3)被部分遮蔽而正在产生比串1403(2)或1403(3)大的光生电流。强串1403(1)的正向电流1405将对较弱的串1403(2)、1403(3)进行正向偏置，以使反向电流1407、1409分别流经串1403(2)、1403(3)。如果串1403(2)、1403(3)具有相同的电流-电压特性，则反向电流1407、1409的大小将相同。如果串1403(2)、1403(3)具有不同的电流-电压特性，则反向电流1407、1409将具有不同的大小，以使串1403(2)、1403(3)不会均等地共享反向电流。

由于光伏器件1404的电流-电压特性，反向电流不均衡可能很大。具体而言，如图1的模型所示，光伏电池的反向电流-电压特性与二极管相似，使得一旦电池传导反向电流，则电池电压对电流大小较不敏感。因此，在利用相同大小的反向电流进行偏置时，两个独立的电池之间可能存在的任何电压不均衡可能在电池并联电耦合期间产生大的电流不均衡。

例如，图15示出了光伏电池1502的反向电流与电压的关系的曲线图1500。假设电池1502在利用反向电流1506来偏置时以电压1504进行操作。现在，假设电池1502与具有不同电流-电压特性的另一个光伏电池(未示出)并联电耦合，以使电池1502由于并联连接而必须以电压1508进行操作。反向电流大小跳跃到1510，导致反向电流大小发生很大变化1512，以补偿电压大小的小变化1514。因此，并联连接的光伏器件之间的电流-电压特性的小差异可能导致器件中的显著的反向电流不均衡。

反向电流的不均等的共享可能导致一个串经历过大的反向电流大小，这可能会损害该串的控制器302和/或光伏器件1404。另外，出于安全原因，串1403通常是装有保险丝的，并且串中的过大的反向电流大小可能会烧断串的保险丝，由此使串离线并且不产生能量，直到替换保险丝为止。

因此，在反向电流条件下，MPPT控制器302的某些实施例适于以有时被称为反向电流操作模式的第三操作模式进行操作。在这些实施例中，如从负载向输出端口314中看时所见，控制子系统338适于使控制开关器件328以维持控制器的预定的输出电流-电压特性的占空比在其导通与非导通状态之间反复切换。操作每个MPPT控制器以使其具有共同的输出电流-电压特性允许每个串具有共同的电流-电压特性，由此促进反向电流操作中的串1403之间的均等的电流共享。例如，在信号Io的大小小于或等于阈值时，控制子系统308使MPPT控制器302进入反向电流操作模式，其中阈值表示负的或非常小的输出电流。

在支持反向电流操作模式的一些实施例中，预定的输出电流-电压特性是线性的，以使输出端口314两端的平均电压的大小响应于进入输出端口314的平均电流的变化而线性变化。图16示出了线性输出电流-电压特性1600的一个示例。在支持反向电流操作模式的一些其它实施例中，预定的输出电流-电压特性是非线性的，以使输出端口314两端的平均电压的大小响应于进入输出端口314的平均电流的变化而非线性变化。图17示出了非线性输出电流-电压特性1700的一个示例。

特性1600、1700具有相对大的有效电阻(即，电压与电流的比值)的事实还促进了电流共享。具体而言，串的电阻产生负反馈，因为电阻使串电压随电流大小增大而升高，由此减小了获得给定电压所需的电流大小。非线性特性1700在大的电流大小下具有特别大的有效电阻，由此可能会在大的电流大小下产生大的负反馈。相反，反向偏置的光伏电池具有相对小的有效电阻，在并联连接应用中产生很小的负反馈。

任选地以与MPPT控制器302相似的方式来在MPPT控制器1202(图12)中实施反向电流操作模式。

特征的组合

可以在不脱离本文的范围的情况下采用各种方式来组合以上描述的特征以及以下要求保护的那些特征。以下示例示出了一些可能的组合：

(A1)用于操作包括适于在输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路的最大功率点跟踪(MPPT)控制器的方法可以包括如下步骤：(a)在MPPT控制器的第一操作模式中，使开关电路的第一开关器件以固定占空比进行操作；以及(b)在MPPT控制器的第二操作模式中，使开关电路的控制开关器件在其导通与非导通状态之间反复切换，以使从电耦合到输入端口的光伏器件提取的功率的量最大化。

(A2)在(A1)所述的方法中，第一开关器件可以包括开关电路的控制开关器件和开关电路的续流开关器件的至少其中之一。

(A3)在(A1)或(A2)所述的方法中，固定占空比可以为至少百分之九十的占空比。

(A4)在(A1)或(A2)所述的方法中，固定占空比可以为百分之百的占空比。

(A5)(A1)到(A4)所述的方法中的任一种还可以包括：在启动MPPT控制器时的开关电路操作之前，响应于判断表示输出端口两端的电压的信号的大小大于阈值而以MPPT控制器的第一操作模式来操作MPPT控制器。

(A6)(A1)到(A5)所述的方法中的任一种还可以包括：使开关电路以其非导通状态进行操作，直到MPPT控制器的供电轨上的电压的大小超过预定值。

(A7)(A6)所述的方法还可以包括：在MPPT控制器的第一操作模式中，从输出端口为MPPT控制器的供电轨供电。

(A8)在(A7)所述的方法中，第一开关器件可以包括第一晶体管，并且方法可以包括使用第一晶体管的体二极管将电流电耦合到MPPT控制器的供电轨。

(A9)(A1)到(A8)所述的方法中的任一种还可以包括：响应于判断表示输出端口流出的电流的信号小于或等于第二阈值而以MPPT控制器的第一操作模式来操作MPPT控制器。

(A10)在(A9)所述的方法中，第二阈值可以表示电流沿着负方向流出输出端口。

(A11)(A10)所述的方法还可以包括：在输出端口流出的电流的大小下降到零之后，继续以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(A12)(A1)到(A11)所述的方法中的任一种还可以包括：响应于外部信号而以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(A13)(A1)到(A12)所述的方法中的任一种还可以包括：每次MPPT控制器启动时，以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(A14)(A1)到(A13)所述的方法中的任一种还可以包括：在开始以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器时，使第一开关器件的占空比斜坡上升到固定占空比。

(A15)(A1)到(A14)所述的方法中的任一种还可以包括：在预定量的时间之后，从MPPT控制器的第一操作模式切换到不同的操作模式。

(A16)(A1)到(A15)所述的方法中的任一种还可以包括：在第一电压信号下降到第三阈值以下时，从MPPT控制器的第一操作模式切换到不同的操作模式。

(A17)在(A16)所述的方法中，第一电压信号可以是输入端口两端的电压的函数。

(A18)在(A15)到(A17)所述的方法中的任一种中，不同的操作模式可以是MPPT控制器的第二操作模式。

(A19)(A1)到(A18)所述的方法中的任一种还可以包括：在MPPT控制器的第三操作模式中，使控制开关器件以维持MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性的占空比在其导通与非导通状态之间反复切换。

(A20)(A19)所述的方法还可以包括：响应于判断表示输出端口流出的电流的信号小于或等于第四阈值而以MPPT控制器的第三操作模式操作MPPT控制器，其中第四阈值可以表示电流沿着负方向流出输出端口。

(A21)在(A19)或(A20)所述的方法中的任一种中，MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性可以是线性的，以使输出端口两端的平均电压的大小响应于流入输入端口的平均电流的大小的变化而线性变化。

(A22)在(A19)或(A20)所述的方法中的任一种中，MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性可以是非线性的，以使输出端口两端的平均电压的大小响应于流入输入端口的平均电流的大小的变化而非线性变化。

(B1)用于测试电耦合到最大功率点跟踪(MPPT)控制器的输入端口的光伏器件的方法可以包括如下步骤，其中MPPT控制器包括适于在MPPT控制器的输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路：(a)将测试电流驱动到MPPT控制器的输出端口中；(b)检测测试电流的存在；以及(c)响应于检测到测试电流的存在而使开关电路为测试电流提供从输出端口到光伏器件的路径。

(B2)在(B1)所述的方法中，使开关电路为测试电流提供从输出端口到光伏器件的路径的步骤可以包括：使开关电路的开关器件以固定占空比进行操作。

(B3)在(B2)所述的方法中，固定占空比可以为至少百分之九十占空比。

(B4)在(B2)所述的方法中，固定占空比可以为百分之百的占空比。

(B5)在(B1)到(B4)所述的方法中的任一种中，使开关电路为测试电流提供从输出端口到光伏器件的路径的步骤可以包括：使MPPT控制器用作将测试电流电耦合到光伏器件的固定直流变压器。

(B6)在(B1)到(B5)所述的方法中的任一种中，检测测试电流的存在的步骤可以包括：检测从外部源流入输出端口的电流的存在。

(B7)在(B1)到(B6)所述的方法中的任一种中，检测测试电流的存在的步骤可以包括：检测开关电路的输出端口两端的电压。

(B8)在(B7)所述的方法中，检测开关电路的输出端口两端的电压的步骤可以包括将表示输出端口两端的电压的信号与阈值比较。

(C1)最大功率点跟踪(MPPT)控制器可以包括输入和输出端口、适于在输入与输出端口之间传输功率的开关电路、以及控制子系统。控制子系统可以适于(a)在MPPT控制器的第一操作模式中，使开关电路的第一开关器件以固定占空比进行操作；以及(b)在MPPT控制器的第二操作模式中，使开关电路的控制开关器件在其导通与非导通状态之间反复切换，以使从电耦合到输入端口的光伏器件提取的电功率的量最大化。

(C2)在(C1)所述的MPPT控制器中，第一开关器件可以包括开关电路的控制开关器件和开关电路的续流开关器件的至少其中之一。

(C3)在(C1)或(C2)所述的MPPT控制器中的任一种中，固定占空比可以为至少百分之九十的占空比。

(C4)在(C1)或(C2)所述的MPPT控制器中的任一种中，固定占空比可以为百分之百的占空比。

(C5)在(C1)到(C4)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于(a)在MPPT控制器启动时的开关电路操作之前，将表示输出端口两端的电压的信号的大小与第一阈值比较；以及(b)响应于判断表示输出端口两端的电压的信号的大小大于第一阈值而以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(C6)在(C1)到(C5)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于使开关电路以其非导通状态进行操作，直到MPPT控制器的供电轨上的电压的大小超过预定值。

(C7)在(C6)所述的MPPT控制器中，MPPT控制器可以被配置为使得在MPPT控制器的第一操作模式中，从输出端口为MPPT控制器的供电轨供电。

(C8)在(C1)到(C7)所述的MPPT控制器中的任一种中：(a)控制开关器件可以电耦合在输入端口的第一端子与输出端口的第一端子之间；(b)开关电路还可以包括电耦合在输出端口的第一端子与输出端口的第二端子之间的续流器件，其中续流器件适于在控制开关器件处于其非导通状态时为在输出端口的第一与第二端子之间流动的电流提供路径；(c)第一开关器件可以是控制开关器件；并且(d)输出端口的第一端子可以电耦合到开关节点。

(C9)在(C8)所述的MPPT控制器中，控制开关器件可以是控制晶体管，其中控制晶体管包括具有电耦合到开关节点的阳极和电耦合到输入端口的第一端子的阴极的体二极管。

(C10)在(C1)到(C9)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于：(a)将表示输出端口流出的电流的信号与第二阈值比较；以及(b)响应于判断表示输出端口流出的电流的信号小于或等于第二阈值而以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(C11)在(C10)所述的MPPT控制器中，第二阈值可以表示电流沿着负方向流出输出端口。

(C12)在(C11)所述的MPPT控制器中，控制子系统还可以适于在输出端口流出的电流的大小下降到零之后，继续以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(C13)在(C1)到(C12)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于：响应于外部信号而以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(C14)在(C1)到(C13)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于：在每次MPPT控制器启动时以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器。

(C15)在(C1)到(C14)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于：在开始以MPPT控制器的第一操作模式操作MPPT控制器时，使第一开关器件的占空比斜坡上升到固定占空比。

(C16)在(C1)到(C15)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于：在预定量的时间之后使MPPT控制器从其第一操作模式切换到不同的操作模式。

(C17)在(C1)到(C16)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于：(a)将第一电压信号与第三阈值比较，第一电压信号为输入端口两端的电压的函数；以及(b)在第一电压信号下降到低于第三阈值时，使MPPT控制器从其第一操作模式切换到MPPT控制器的不同操作模式。

(C18)在(C16)或(C17)所述的MPPT控制器中的任一种中，不同的操作模式可以是MPPT控制器的第二操作模式。

(C19)在(C1)到(C18)所述的MPPT控制器中的任一种中，控制子系统还可以适于：在MPPT控制器的第三操作模式中，使控制开关器件以维持MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性的占空比在其导通与非导通状态之间反复切换。

(C20)在(C19)所述的MPPT控制器中，控制子系统还可以适于：(a)将表示输出端口流出的电流的信号与第四阈值比较；以及(b)响应于判断表示输出端口流出的电流的信号小于或等于第四阈值而以MPPT控制器的第三操作模式操作MPPT控制器。

(C21)在(C20)所述的MPPT控制器中，第四阈值可以表示电流沿着负方向流出输出端口。

(C22)在(C19)到(C21)所述的MPPT控制器中的任一种中，MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性可以是线性的，以使输出端口两端的平均电压的大小响应于流入输入端口的平均电流的大小的变化而线性变化。

(C23)在(C19)到(C21)所述的MPPT控制器中的任一种中，MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性可以是非线性的，以使输出端口两端的平均电压的大小响应于流入输入端口的平均电流的大小的变化而非线性变化。

可以在不脱离本文的范围的情况下对以上方法和系统做出改变。例如，可以利用P沟道场效应晶体管替换N沟道场效应晶体管，反之亦然，并对相关联的电路做出适当改变。作为另一示例，可以利用双极结型晶体管替换场效应晶体管，并对相关联的电路进行适当改变。因此应当注意，以上描述中包含并且在附图中示出的主题内容应被解释为说明性的而非具有限制意义。以下权利要求旨在覆盖本文描述的一般特征和具体特征、以及本方法和系统的范围的所有陈述，所述陈述作为语言可以被说成落在本方法和系统的范围内。

Claims

1.一种用于操作包括适于在输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路的最大功率点跟踪(MPPT)控制器的方法，包括如下步骤：

在所述MPPT控制器的第一操作模式中，使所述开关电路的第一开关器件以固定占空比进行操作；以及

在所述MPPT控制器的第二操作模式中，使所述开关电路的控制开关器件在其导通与非导通状态之间反复切换，以使从电耦合到所述输入端口的光伏器件提取的功率的量最大化。

2.根据权利要求1所述的方法，所述第一开关器件包括所述开关电路的所述控制开关器件和所述开关电路的续流开关器件的至少其中之一。

3.根据权利要求2所述的方法，所述固定占空比为至少百分之九十的占空比。

4.根据权利要求3所述的方法，所述固定占空比为百分之百的占空比。

5.根据权利要求2所述的方法，还包括：在所述MPPT控制器启动时的开关电路操作之前，响应于判断表示所述输出端口两端的电压的信号的大小大于阈值而以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：使所述开关电路以其非导通状态进行操作，直到所述MPPT控制器的供电轨上的电压的大小超过预定值。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：在所述MPPT控制器的所述第一操作模式中，从所述输出端口为所述MPPT控制器的所述供电轨供电。

8.根据权利要求7所述的方法，所述第一开关器件包括第一晶体管，所述方法还包括使用所述第一晶体管的体二极管将电流电耦合到所述MPPT控制器的所述供电轨。

9.根据权利要求2所述的方法，还包括：响应于判断表示所述输出端口流出的电流的信号小于或等于阈值而以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

10.根据权利要求9所述的方法，所述阈值表示电流沿着负方向流出所述输出端口。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：使所述开关电路以其非导通状态进行操作，直到所述MPPT控制器的供电轨上的电压的大小超过预定值。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：在所述MPPT控制器的所述第一操作模式中，从所述输出端口为所述MPPT控制器的所述供电轨供电。

13.根据权利要求12所述的方法，所述第一开关器件包括第一晶体管，所述方法还包括使用所述第一晶体管的体二极管将电流电耦合到所述MPPT控制器的所述供电轨。

14.根据权利要求10所述的方法，还包括：在所述输出端口流出的电流的大小下降到零之后，继续以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

15.根据权利要求2所述的方法，还包括：响应于外部信号而以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

16.根据权利要求2所述的方法，还包括：每次所述MPPT控制器启动时以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

17.根据权利要求2所述的方法，还包括：在开始以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器时，使所述第一开关器件的占空比斜坡上升到所述固定占空比。

18.根据权利要求2所述的方法，还包括：在预定量的时间之后，从所述MPPT控制器的所述第一操作模式切换到不同的操作模式。

19.根据权利要求18所述的方法，所述不同的操作模式是所述MPPT控制器的所述第二操作模式。

20.根据权利要求2所述的方法，还包括：在第一电压信号下降到低于阈值时，从所述MPPT控制器的所述第一操作模式切换到不同的操作模式。

21.根据权利要求20所述的方法，所述第一电压信号是所述输入端口两端的电压的函数。

22.根据权利要求20所述的方法，所述不同的操作模式是所述MPPT控制器的所述第二操作模式。

23.根据权利要求2所述的方法，还包括：在所述MPPT控制器的第三操作模式中，使所述控制开关器件以维持所述MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性的占空比在其导通与非导通状态之间反复切换。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括：响应于判断表示所述输出端口流出的电流的信号小于或等于阈值而以所述MPPT控制器的第三操作模式操作所述MPPT控制器。

25.根据权利要求24所述的方法，所述阈值表示电流沿着负方向流出所述输出端口。

26.根据权利要求23所述的方法，所述MPPT控制器的所述预定的输出电流-电压特性是线性的，以使所述输出端口两端的平均电压的大小响应于流入所述输入端口的平均电流的大小的变化而线性变化。

27.根据权利要求23所述的方法，所述MPPT控制器的所述预定的输出电流-电压特性是非线性的，以使所述输出端口两端的平均电压的大小响应于流入所述输入端口的平均电流的大小的变化而非线性变化。

28.一种用于对电耦合到最大功率点跟踪(MPPT)控制器的输入端口的光伏器件进行测试的方法，其中，所述MPPT控制器包括适于在所述MPPT控制器的输入端口与输出端口之间传输功率的开关电路，所述方法包括如下步骤：

将测试电流驱动到所述MPPT控制器的所述输出端口中；

检测所述测试电流的存在；以及

响应于检测到所述测试电流的存在而使所述开关电路为所述测试电流提供从所述输出端口到所述光伏器件的路径。

29.根据权利要求28所述的方法，使所述开关电路为所述测试电流提供从所述输出端口到所述光伏器件的路径的步骤包括：使所述开关电路的开关器件以固定占空比进行操作。

30.根据权利要求29所述的方法，所述固定占空比为至少百分之九十的占空比。

31.根据权利要求30所述的方法，所述固定占空比为百分之百的占空比。

32.根据权利要求28所述的方法，使所述开关电路为所述测试电流提供从所述输出端口到所述光伏器件的路径的步骤包括：使所述MPPT控制器用作将所述测试电流电耦合到所述光伏器件的固定直流变压器。

33.根据权利要求28所述的方法，检测所述测试电流的存在的步骤包括：检测从外部源流入所述输出端口的电流的存在。

34.根据权利要求28所述的方法，检测所述测试电流的存在的步骤包括：检测所述开关电路的所述输出端口两端的电压。

35.根据权利要求34所述的方法，检测所述开关电路的所述输出端口两端的电压的步骤包括：将表示所述输出端口两端的电压的信号与阈值比较。

36.一种最大功率点跟踪(MPPT)控制器，包括：

输入端口和输出端口；

适于在所述输入端口与所述输出端口之间传输功率的开关电路；以及

控制子系统，其适于：

在所述MPPT控制器的第二操作模式中，使所述开关电路的控制开关器件在其导通与非导通状态之间反复切换，以使从电耦合到所述输入端口的光伏器件提取的电功率的量最大化。

37.根据权利要求36所述的MPPT控制器，所述第一开关器件包括所述开关电路的所述控制开关器件和所述开关电路的续流开关器件的至少其中之一。

38.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述固定占空比为至少百分之九十的占空比。

39.根据权利要求38所述的MPPT控制器，所述固定占空比为百分之百的占空比。

40.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：

在所述MPPT控制器启动时的开关电路操作之前，将表示所述输出端口两端的电压的信号的大小与阈值比较；以及

响应于判断表示所述输出端口两端的电压的所述信号的大小大于所述阈值而以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

41.根据权利要求40所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：使所述开关电路以其非导通状态进行操作，直到所述MPPT控制器的供电轨上的电压的大小超过预定值。

42.根据权利要求41所述的MPPT控制器，其中，所述MPPT控制器被配置为使得在所述MPPT控制器的所述第一操作模式中，从所述输出端口为所述MPPT控制器的所述供电轨供电。

43.根据权利要求41所述的MPPT控制器，其中：

所述控制开关器件电耦合在所述输入端口的第一端子与所述输出端口的第一端子之间；

所述开关电路还包括电耦合在所述输出端口的所述第一端子与所述输出端口的第二端子之间的续流器件，所述续流器件适于在所述控制开关器件处于其非导通状态时为在所述输出端口的所述第一端子与所述第二端子之间流动的电流提供路径；

所述第一开关器件是所述控制开关器件；并且

所述输出端口的所述第一端子电耦合到开关节点。

44.根据权利要求43所述的MPPT控制器，所述控制开关器件包括控制晶体管，所述控制器晶体管包括具有电耦合到所述开关节点的阳极和电耦合到所述输入端口的所述第一端子的阴极的体二极管。

45.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：

将表示所述输出端口流出的电流的信号与阈值比较；以及

响应于判断表示所述输出端口流出的电流的所述信号小于或等于所述阈值而以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

46.根据权利要求45所述的MPPT控制器，所述阈值表示电流沿着负方向流出所述输出端口。

47.根据权利要求46所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：使所述开关电路以其非导通状态进行操作，直到所述MPPT控制器的供电轨上的电压的大小超过预定值。

48.根据权利要求47所述的MPPT控制器，其中，所述MPPT控制器被配置为使得在所述MPPT控制器的所述第一操作模式中，从所述输出端口为所述MPPT控制器的所述供电轨供电。

49.根据权利要求47所述的MPPT控制器，其中：

所述开关电路还包括电耦合在所述输出端口的所述第一端子与所述输出端口的第二端子之间的续流器件，所述续流器件适于在所述控制开关器件处于其非导通状态时为在所述输出端口的所述第一端子与所述第二端子之间流动的电流提供路径；并且

所述第一开关器件是所述控制开关器件。

50.根据权利要求49所述的MPPT控制器，所述控制开关器件包括控制晶体管，所述控制器晶体管包括具有电耦合到所述输出端口的所述第一端子的阳极和电耦合到所述输入端口的所述第一端子的阴极的体二极管。

51.根据权利要求46所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：在所述输出端口流出的电流的大小下降到零之后继续以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

52.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：响应于外部信号而以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

53.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：在每次所述MPPT控制器启动时，以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器。

54.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：在开始以所述MPPT控制器的第一操作模式操作所述MPPT控制器时，使所述第一开关器件的占空比斜坡上升到所述固定占空比。

55.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：在预定量的时间之后，使所述MPPT控制器从其第一操作模式切换到不同的操作模式。

56.根据权利要求55所述的MPPT控制器，所述不同的操作模式是所述MPPT控制器的所述第二操作模式。

57.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：

将第一电压信号与阈值比较，所述第一电压信号是所述输入端口两端的电压的函数；以及

在所述第一电压信号下降到低于所述阈值时，使所述MPPT控制器从其第一操作模式切换到所述MPPT控制器的不同的操作模式。

58.根据权利要求57所述的MPPT控制器，所述不同的操作模式是所述MPPT控制器的所述第二操作模式。

59.根据权利要求37所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：在所述MPPT控制器的第三操作模式中，使所述控制开关器件以维持所述MPPT控制器的预定的输出电流-电压特性的占空比在其导通与非导通状态之间反复切换。

60.根据权利要求59所述的MPPT控制器，所述控制子系统还适于：

将表示所述输出端口流出的电流的信号与阈值比较；以及

响应于判断表示所述输出端口流出的电流的所述信号小于或等于所述阈值而以所述MPPT控制器的第三操作模式操作所述MPPT控制器。

61.根据权利要求60所述的MPPT控制器，所述阈值表示电流沿着负方向流出所述输出端口。

62.根据权利要求59所述的MPPT控制器，所述MPPT控制器的所述预定的输出电流-电压特性是线性的，以使所述输出端口两端的平均电压的大小响应于流入所述输入端口的平均电流的大小的变化而线性变化。

63.根据权利要求59所述的MPPT控制器，所述MPPT控制器的所述预定的输出电流-电压特性是非线性的，以使所述输出端口两端的平均电压的大小响应于流入所述输入端口的平均电流的大小的变化而非线性变化。