CN105024542A - 太阳能升压转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能升压转换器及其控制方法，所述控制方法包括：使升压转换器起始操作于脉冲宽度调制模式；判断输入端的电压是否大于参考输入电压，当输入端的电压大于参考输入电压时，使升压转换器操作在脉冲宽度调制模式，反之，使升压转换器操作在突发模式，所述突发模式的突发周期时间是随着输入端的电压的降低而增加；当操作于突发模式时，判断输出端的电压是否小于第一设定输出电压值，当输出端的电压小于第一设定输出电压值时，使升压转换器操作在脉冲宽度调制模式，反之，使升压转换器操作在突发模式。且突发模式升压转换的转换周期与太阳能板输出电压值成正比。在低入射光强度时开关损失是减少。

Description

太阳能升压转换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种升压转换器，尤指一种低照度太阳能升压转换器及其控制方法。

背景技术

太阳能是一个有前途的干净能源。即使很多设计与制造技术在最近五十到六十年被发明，效率和成本结构仍然是此干净能源集电的核心议题。基于户外的可预测的太阳照射与室内的弱光照明，光伏能集电仍然未在我们的生活中普及。因为环境污染和能源耗尽，在效率和设计上的改进在最近被更多的发明。具有晶体改进与镀模结构的硅基的太阳能板逐年被推广到市场中。然而，光伏能转换仍然是此干净能源集电的瓶颈。

现今，根据不同种类的太阳能板存在各种不同的集电方式。归咎于耐用度与成本结构，相较于III-V族化合物、II-VI族化合物、有机薄膜等，硅基的太阳能板是最可能商业化的太阳能来源。如以下所列举常见的集电技术仍具有部分缺陷。例如：整流输出升压（regulated output boost），无法适应电源的波动以及无法适应环境的变化。整流输出突发模式升压（Regulated output Burst mode），仅依赖负载的状况且突发周期（Burstperiod）只设定在单一模式的条件。开关电容泵升压（Switch-cap pumpingboost）具有高的电磁干扰（EMI）与较低的转换效率，且受限于最终电压的转换比。固定频率突发周期切换升压（Fixed frequency and burst periodswitch boost）无法调整负载与能量转换的平衡。

发明内容

本发明实施例提供一种低照度太阳能升压转换器及其控制方法，利用输入电压的整流切换控制，以在低照度时减少能量转换的损失。

本发明实施例提供一种低照度太阳能升压转换器，具有输入端以及输出端，输入端耦接太阳能接收单元，输出端耦接负载，低照度太阳能升压转换器包括升压转换器、脉冲宽度调制控制器以及切换控制器。升压转换器耦接于输入端以及输出端。脉冲宽度调制控制器耦接于升压转换器，提供多个脉冲至升压转换器以调整输出端的电压。当输入端的电压大于一参考输入电压时，脉冲宽度调制控制器操作在一脉冲宽度调制模式（PWMmode）。当输入端的电压小于或等于参考输入电压时，脉冲宽度调制控制器操作在一突发模式（Burst mode），所述突发模式的一突发周期时间是随着输入端的电压的降低而增加。切换控制器耦接于脉冲宽度调制控制器，判断输出端的电压是否小于一第一设定输出电压值。当输出端的电压小于第一设定输出电压值时，切换控制器控制脉冲宽度调制控制器操作在脉冲宽度调制模式。当输出端的电压大于或等于第一设定输出电压值时，切换控制器控制脉冲宽度调制控制器操作在突发模式。

本发明实施例提供一种低照度太阳能升压转换器的控制方法，低照度太阳能升压转换器具有输入端以及输出端，所述控制方法包括以下步骤。首先，使低照度太阳能升压转换器起始操作于一脉冲宽度调制模式（PWMmode）。然后，判断输入端的电压是否大于一参考输入电压。当输入端的电压大于参考输入电压时，使低照度太阳能升压转换器操作在脉冲宽度调制模式。反之，当输入端的电压小于或等于参考输入电压时，使低照度太阳能升压转换器操作在一突发模式（Burst mode），所述突发模式的一突发周期时间是随着输入端的电压的降低而增加。再来，当操作于突发模式时，判断输出端的电压是否小于一第一设定输出电压值。当输出端的电压小于第一设定输出电压值时，使低照度太阳能升压转换器操作在脉冲宽度调制模式。反之，当输出端的电压大于或等于第一设定输出电压值时，使低照度太阳能升压转换器操作在突发模式。

综上所述，本发明实施例提供一种低照度太阳能升压转换器及其控制方法，依据输出端电压值得知负载情况，可在负载较轻的情况将升压转换器操作于突发模式，其中突发模式的突发周期时间是随着输入端的电压的降低而增加，也就是说当照度越低时突发模式的突发周期也随之增加。进一步，也依据负载情况判断是否离开突发模式而进入脉冲宽度调制模式。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适应性太阳能集电装置的电路方块图。

图2是本发明实施例提供的低照度太阳能升压转换器的电路图。

图3是本发明实施例提供的低照度太阳能升压转换器的控制方法的流程图。

图4是本发明另一实施例提供的低照度太阳能升压转换器的控制方法的流程图。

图5是本发明实例提供的低照度太阳能升压转换器的信号波形图。

图6是本发明另一实例提供的低照度太阳能升压转换器的信号波形图。

图7是本发明另一实例提供的低照度太阳能升压转换器的信号波形图。

图8是本发明另一实例提供的低照度太阳能升压转换器的信号波形图。

图9是本发明另一实例提供的低照度太阳能升压转换器的信号波形图。

【符号说明】

1：适应性太阳能集电装置

10：太阳能接收单元

11、21：升压转换器

12：充电功率控制器

13：电力储存单元

131：温度传感器

P1：输入端

P2：输出端

Vin、Vo、Vin’、Vo’、Vref、VLX、Vout：电压

Iin、Io、Iin’、Io’、I-Vin、IL：电流

121：负载线控制单元

TS：温度感测信号

SGND、PGND、OCP、VCC、CC、LX、FB、REF：端点

2：低照度太阳能升压转换器

22：脉冲宽度调制控制器

23：切换控制器

211：电感

212、213：晶体管

20：集成电路

VIN：输入端

OUT：输出端

201：脉冲宽度比较器

202：斜波产生器

203：振荡器

204：误差放大器：

205：带隙参考电路

206：限流器

207：过零率比较器

208：过电流保护器

2081：比较器

R：电阻

C：电容

S100、S110、S120、S130、S140、S150、S160、S200、S210、S220、S230、S240、S250、S260、S215、S217：步骤流程

OSC：脉冲信号

EN_OSC：突发周期时间

具体实施方式

本发明实施例是对低照度的光伏能集电作进一步改进。太阳能集电的输出电压可以依据监控太阳能集电能力与调整转换的切换率（switchingrate），藉此可以在低照度集电时提供有效的方法以节约更多的能量转换损失。

请参照图1，图1是本发明实施例提供的适应性太阳能集电装置的电路方块图。适应性太阳能集电装置1包括太阳能接收单元10、升压转换器11以及充电功率控制器12。太阳能接收单元10通常是具有多个太阳能电池（solar cell）的太阳能板。适应性太阳能集电装置1将太阳能接收单元10的电力传递至至少一电力储存单元13。

升压转换器11具有输入端P1以及输出端P2。升压转换器11的输入端P1耦接太阳能接收单元10，升压转换器11通过输入端P1接收太阳能接收单元10的电力。太阳能接收单元10提供输入电压Vin与输入电流Iin至升压转换器11。充电功率控制器12耦接升压转换器11的输出端P2，感测升压转换器11的输出端P2的供应电压Vo（在充电功率控制器12的输入端为Vin’），并产生充电电压Vo’以及充电电流Io’以对至少一电力储存单元13充电。充电功率控制器12依据来自升压转换器11的输出端P2的供应电压Vo作为前馈控制（feed-forward control），而调整充电电流Io’。此前馈控制可自我调适太阳能板能量的采集转而储存于可充电的储存器（电力储存单元13）内。无论可采集太阳能板能量的多少，只要所采集的能量大于升压转换器11和充电功率控制器12所耗的能量。

本发明实施例利用充电功率控制器12对太阳能板（太阳能电池）具有可对负载做适应性调整的集电能力。对于入射光线的不同的照射强度，每一个太阳能电池有其个别的输出（集电）能力。如果集电负载没有匹配至太阳能电池的电力产出，太阳能电池的输出电压可能会崩溃而掉至接近接地电位，或者在重载的集电状况下降低电压值。本发明实施例提供前馈控制来调整光电转换的输出级（后级）。每一个升压频率周期中，由集得的光电伏（photo-voltaic）转换至后级的电压值是可自动调整的，以考虑到来自前一级的光电伏的输出能力。

电力储存单元13通常是二次电池，例如锂镍电池或锂铁电池，但本发明并不因此限定。电力储存单元13耦接充电功率控制器12，电力储存单元13接收充电电压Vo’以及充电电流Io’而被充电。电力储存单元13还可包括一温度传感器131，所述温度传感器131感测电力储存单元13的温度，并提供一温度感测信号TS至充电功率控制器12。温度传感器131可以在电力储存单元13的温度过高时，以温度感测信号TS指示充电功率控制器12停止对电力储存单元13充电。藉此，避免电力储存单元13的温度过高而造成危险。充电功率控制器12可依据供应电压Vo调整适应性太阳能集电装置1对电力储存单元13充电时的负载线。

更进一步地，在低照度时，图1的升压转换器11的能量转换的损失影响升压转换器11所能提供的输出功率。为了在低照度时减少能量转换的损失，本发明实施例针对升压转换器11的控制方法做了进一步的设计。

请同时参照图1和图2，图2是本发明实施例提供的低照度太阳能升压转换器的电路图。低照度太阳能升压转换器2具有输入端VIN（即升压转换器11的输入端P1，电压为Vin）以及输出端OUT（即升压转换器11的输出端P2，电压为Vo）。输入端VIN耦接图1所示的太阳能接收单元10，输出端OUT耦接负载（例如图1所示的充电功率控制器12或者是直接耦接电力储存单元13）。低照度太阳能升压转换器2可利用封装好的集成电路20配合耦接的电感211实现。就电路架构而言，低照度太阳能升压转换器2包括升压转换器21、脉冲宽度调制控制器22、切换控制器23、脉冲宽度比较器201、斜波产生器202、振荡器203、误差放大器204、带隙参考电路205、限流器206、过零率比较器207与过电流保护器208。

升压转换器21为直流升压转换器。升压转换器21包括电感211与至少一个与电感211耦接的晶体管212、213。在图2中，晶体管213是具有背栅极的P型晶体管，晶体管212是N型晶体管。升压转换器21耦接输入端VIN以及输出端OUT。电感211的一端耦接输入端VIN，电感211的另一端（端点LX）耦接至少一个晶体管（212、213），所述至少一个晶体管（在图2中为晶体管213）用以耦接输出端OUT。图2中的升压转换器21仅是用以帮助说明，并非用以限定本发明。本技术领域的普通技术人员可依据实际需要而改变电感211与耦接的晶体管的连接关系，也可以依据实际需要而改变与电感耦接的晶体管的数目。简言之，升压转换器11具有至少一晶体管，所述晶体管耦接输出端OUT，脉冲宽度调制控制器产生22的脉冲用以控制所述晶体管的切换。

脉冲宽度调制控制器22耦接升压转换器21，提供多个脉冲至升压转换器21以调整输出端OUT的电压。在本实施例中，脉冲宽度调制控制器22产生的脉冲是用以控制晶体管212、213的切换。当输入端VIN的电压大于一参考输入电压时，脉冲宽度调制控制器22操作在一脉冲宽度调制模式（PWM mode），亦即使低照度太阳能升压转换器2操作在脉冲宽度调制模式。当输入端VIN的电压小于或等于参考输入电压时，脉冲宽度调制控制器22操作在一突发模式（Burst mode），所述突发模式的一突发周期时间EN_OSC是输入端VIN的电压的函数（即EN_OSC=f（Vin）），且突发周期时间EN_OSC是随着输入端VIN的电压的降低而增加。

切换控制器23耦接脉冲宽度调制控制器22，判断输出端OUT的电压是否小于一第一设定输出电压值V1。当输出端OUT的电压小于第一设定输出电压值V1时，切换控制器23控制脉冲宽度调制控制器22操作在脉冲宽度调制模式。当输出端OUT的电压大于或等于第一设定输出电压值V1时，切换控制器23控制脉冲宽度调制控制器22操作在突发模式。

脉冲宽度调制控制器22的脉冲宽度受控于脉冲宽度比较器201，脉冲宽度比较器201利用斜波产生器202产生的三角波（斜波产生器202依据振荡器203产生三角波）作为参考信号，并将所述三角波与误差放大器204的输出电压做比较而提供控制脉冲宽度的信号给脉冲宽度调制控制器22。误差放大器204的两个输入端分别耦接回授端点FB与参考端点REF，误差放大器204回授端点FB的电压（依据输出端OUT的电压或电流而产生的回授信号）与参考端点REF的电压做比较，其中参考端点REF的电压与带隙参考电路205产生的电压有关，其中参考端点REF的电压Vref为1.258V仅是用以举例，并非用以限定本发明。限流器206、过零率比较器207与过电流保护器208耦接脉冲宽度调制控制器22，以作为保护电路使用，过电流保护器208例如由比较器2081、电阻R与电容C实现。另外，图2中的集成电路20的其他端点SGND、PGND、OCP、VCC、CC，以及电路连接关系仅是用以举例，并非用以限定本发明。集成电路20可以增加其他附属功能，例如史密斯触发器（Smith-Trigger）与良好电源（Power Good）信号，在此予以省略。

请同时参照图2与图3，图3是本发明实施例提供的低照度太阳能升压转换器的控制方法的流程图。首先，在步骤S100中，使低照度太阳能升压转换器2起始操作于一脉冲宽度调制模式（PWM mode）。然后，在步骤S110中，判断输入端VIN的电压是否大于一参考输入电压（VIN_REF，图中未示出），所述参考输入电压可以做为判断此升压转换器是否要操作在脉冲宽度调制模式的依据，当输入电压过低（小于或等于参考输入电压），则代表太阳的照度可能较低而无法提供较大的能量，因此此升压转换器需要节省电力消耗。当输入端VIN的电压大于参考输入电压（VIN_REF）时，进行步骤S120，使低照度太阳能升压转换器2操作在脉冲宽度调制模式。在步骤S120之后，再次进行步骤S110。反之，当输入端VIN的电压小于或等于参考输入电压（VIN_REF）时，进行步骤S130，使低照度太阳能升压转换器2操作在一突发模式（Burst mode），所述突发模式的一突发周期时间EN_OSC是随着输入端VIN的电压的降低而增加。

再来，当操作于突发模式时，进行步骤S140，判断输出端OUT的电压是否小于第一设定输出电压值V1。当输出端OUT的电压小于第一设定输出电压值V1时，进行步骤S150，使低照度太阳能升压转换器2操作在脉冲宽度调制模式。反之，当输出端OUT的电压大于或等于第一设定输出电压值V1时，再次进行步骤S130，使低照度太阳能升压转换器2操作在突发模式。在步骤S150之后，进行步骤S160，在一设定时间ΔT内监测输出端OUT的电流I_load是否小于设定负载电流。当输出端OUT的电流I_load小于设定负载电流时，再次进行步骤S130，使低照度太阳能升压转换器2操作在突发模式。反之，当输出端OUT的电流I_load大于或等于设定负载电流时，再次进行步骤S150，使低照度太阳能升压转换器2操作在脉冲宽度调制模式。步骤S160的用途仅是，利用设定时间ΔT以检测输出端OUT的电流，以避免噪声或电流波动而影响整个系统的稳定度。值得一提的是，在其他实施例中，步骤S160可以被替换成其他的决策动作，以判定是否要维持操作在脉冲宽度调制模式或者改操作在突发模式，例如：利用与步骤S140相同（或类似）的步骤，以决定是否离开脉冲宽度调制模式而进入突发模式。

请同时参照图3与图4，图4是本发明另一实施例提供的低照度太阳能升压转换器的控制方法的流程图。图4的流程图与图3的流程图大致相同，其差异仅在于增加了步骤S215和S217，其他步骤S200、S220、S230、S240、S250、S260则分别与图3的步骤S100、S120、S130、S140、S150、S160相同。相同的步骤不再赘述，在此仅说明图4中增加的步骤。在判断输入端VIN的电压是否小于参考输入电压（VIN_REF）的步骤（S210）之后，在操作在突发模式的步骤（S230）之前还包括步骤S215和步骤S217。在步骤S215中，判断输出端OUT的电压是否大于第二设定输出电压值V2。当输出端OUT的电压大于第二设定输出电压值V2时，使低照度太阳能升压转换器2操作在突发模式，即进行步骤S230。当输出端OUT的电压小于或等于第二设定输出电压值V2时，使低照度太阳能升压转换器2操作在脉冲宽度调制模式，即进行步骤S217，在步骤S217结束后，再次进行步骤S215。步骤S215和步骤S217是用以在进行突发模式前，先行检测输出端OUT是重载或轻载。同时，步骤S215和步骤S240的功效大致相同，用以检测负载状况，其中第二设定输出电压值V2可以与第一设定输出电压值V1相同或者是不同，本发明并不因此限定。

请同时参照图2与图5至图9，图5显示了当输入端VIN的电压（Vin）为1.2V时，端点LX的电压值VLX，输入端VIN的电流I-Vin，电感211的电流IL与脉冲宽度调制控制器22产生的脉冲信号OSC。图6还显示了当输入端VIN的电压为1.2V时的突发周期时间EN_OSC为979us。图7显示的当输入端VIN的电压（Vin）为1.1V时，且电路由突发模式（Burstmode）改变至脉冲宽度调制模式（PWM mode）再改变为突发模式的信号波形图，其中在脉冲宽度调制模式时的负载电流为25mA。图8显示了当输入端VIN的电压（Vin）为3V时，突发周期时间EN_OSC缩短为399us。图9则显示了当输入端VIN的电压（Vin）为3V时，电路由突发模式（Burstmode）改变至脉冲宽度调制模式（PWM mode）再改变为突发模式的信号波形图，其中在脉冲宽度调制模式时的负载电流为200mA。由图9可明显看出，突发模式的脉冲信号OSC的间隔（突发周期时间EN_OSC）相较于图7是较短的。

〔实施例的可能效果〕

综上所述，本发明实施例所提供的低照度太阳能升压转换器及其控制方法，依据输出端电压值得知负载情况，可在负载较轻的情况将升压转换器操作于突发模式，其中突发模式的突发周期时间是随着输入端的电压的降低而增加，也就是说当照度越低时突发模式的突发周期也随之增加。进一步地，也依据负载情况判断是否离开突发模式而进入脉冲宽度调制模式。藉此，可在低照度集电时减少更多的能量转换损失，并提升能量转换效率。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

Claims (10)

1.一种太阳能升压转换器，其特征在于，所述太阳能升压转换器具有一输入端以及一输出端，所述输入端耦接一太阳能接收单元，所述输出端耦接一负载，所述太阳能升压转换器包括：

一升压转换器，耦接于所述输入端以及所述输出端；

一脉冲宽度调制控制器，耦接于所述升压转换器，所述脉冲宽度调制控制器提供多个脉冲至所述升压转换器，以调整所述输出端的电压，其中当所述输入端的电压大于一参考输入电压时，所述脉冲宽度调制控制器操作在一脉冲宽度调制模式，当所述输入端的电压小于或等于所述参考输入电压时，所述脉冲宽度调制控制器操作在一突发模式，所述突发模式的一突发周期时间随着所述输入端的电压的降低而增加；

一切换控制器，耦接于所述脉冲宽度调制控制器，所述切换控制器判断所述输出端的电压是否小于一第一设定输出电压值，当所述输出端的电压小于所述第一设定输出电压值时，所述切换控制器使所述脉冲宽度调制控制器操作在所述脉冲宽度调制模式，当所述输出端的电压大于或等于所述第一设定输出电压值时，所述切换控制器控制所述脉冲宽度调制控制器操作在所述突发模式。

2.根据权利要求1所述的太阳能升压转换器，其特征在于，所述切换控制器判断所述输出端的电压是否大于一第二设定输出电压值，当所述输出端的电压大于所述第二设定输出电压值时，所述切换控制器使所述脉冲宽度调制控制器操作在所述突发模式，当所述输出端电压小于或等于所述第一设定输出电压值时，所述切换控制器使所述脉冲宽度调制控制器操作在所述脉冲宽度调制模式。

3.根据权利要求1所述的太阳能升压转换器，其特征在于，所述升压转换器为一直流升压转换器。

4.根据权利要求1所述的太阳能升压转换器，其特征在于，所述升压转换器具有至少一个晶体管，所述晶体管耦接于所述输出端，所述脉冲宽度调制控制器产生的所述脉冲用以控制所述晶体管的切换。

5.一种太阳能升压转换器的控制方法，其特征在于，所述太阳能升压转换器具有一输入端以及一输出端，其特征在于，所述太阳能升压转换器的控制方法包括：

使所述太阳能升压转换器起始操作于一脉冲宽度调制模式；

判断所述输入端的电压是否大于一参考输入电压；

当所述输入端的电压大于所述参考输入电压时，使所述太阳能升压转换器操作在所述脉冲宽度调制模式；

当所述输入端的电压小于或等于所述参考输入电压时，使所述太阳能升压转换器操作在一突发模式，所述突发模式的一突发周期时间随着所述输入端的电压的降低而增加；

当操作于所述突发模式时，判断所述输出端的电压是否小于一第一设定输出电压值；

当所述输出端的电压小于所述第一设定输出电压值时，使所述太阳能升压转换器操作在所述脉冲宽度调制模式；以及

当所述输出端的电压大于或等于所述第一设定输出电压值时，使所述太阳能升压转换器操作在所述突发模式。

6.根据权利要求5所述的太阳能升压转换器的控制方法，其特征在于，在判断所述输入端的电压是否小于所述参考输入电压的步骤之后，在操作所述突发模式的步骤之前还包括：

判断所述输出端的电压是否大于一第二设定输出电压值；

当所述输出端的电压大于所述第二设定输出电压值时，使所述太阳能升压转换器操作在所述突发模式；以及

当所述输出端的电压小于或等于所述第二设定输出电压值时，使所述太阳能升压转换器操作在所述脉冲宽度调制模式。

7.根据权利要求5所述的太阳能升压转换器的控制方法，其特征在于，当所述输出端的电压小于所述第一设定输出电压值时，使所述太阳能升压转换器操作在所述脉冲宽度调制模式的步骤之后，还包括：

在一设定时间内监测所述输出端的电流是否小于一设定负载电流；

当所述输出端的电流小于所述设定负载电流时，使所述太阳能升压转换器操作在所述突发模式；以及

当所述输出端的电流大于或等于所述设定负载电流时，使所述太阳能升压转换器操作在所述脉冲宽度调制模式。

8.根据权利要求5所述的太阳能升压转换器的控制方法，其特征在于，所述太阳能升压转换器包括一升压转换器、一脉冲宽度调制控制器以及一切换控制器，所述切换控制器用以控制所述脉冲宽度调制控制器产生多个脉冲，所述脉冲用以控制所述升压转换器以调整所述输出端的电压。

9.根据权利要求8所述的太阳能升压转换器的控制方法，其特征在于，所述升压转换器为一直流升压转换器。

10.根据权利要求8所述的太阳能升压转换器的控制方法，其特征在于，所述升压转换器具有至少一个晶体管，所述晶体管耦接于所述输出端，所述脉冲宽度调制控制器产生的所述脉冲用以控制所述晶体管的切换。