CN108027624A - 具有多种操作模式的开关电路和相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制开关电路的方法，其中所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括：(1)进入限压操作模式，以及(2)在限压操作模式中，(i)使开关电路的控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，输出电压是所述输出端口两端的电压，以及(ii)根据输出电流的幅值来改变所述最大电压值，所述输出电流是流过所述输出端口的电流。

Description

具有多种操作模式的开关电路和相关方法
相关申请
本申请要求享有于2015年7月13日提交的(a)序列号为62/191,936的美国临时专利申请和于2016年5月3日提交的(b)序列号为62/330,991的美国临时专利申请的优先权的权益。上述各申请通过引用的方式并入本文。
背景技术
光伏电池通常用于对电池进行再充电或通过逆变器向电网和/或建筑物提供功率。然而，光伏电池通常提供的输出功率比已知的设备效率和照明所预期的要少。
光伏电池输送低于最佳功率的一个原因是它们在典型条件下的最大功率输出通常处于与其负载不匹配的电压。这种不匹配的发生部分是因为典型的光伏电池对温度敏感，并且必须串联连接足够数量的光伏电池以在高温下提供所需的电压幅值。在光伏电池的最大功率输出电压最高的情况下，这个大的光伏电池数量在低温下就变得过多。类似地，最大功率输出电压可能会随照明变化而改变。当互连光伏电池模块(“光伏模块”)中的任何一个串联连接的光伏电池产生比光伏模块中的其他光伏电池更少的电流时，会发生其他损失。除了额外的电路之外，光伏电池的串联串的输出电流受到最弱或遮蔽最多的电池中产生的光电流的有力限制。
由于遮蔽影响光伏电池中产生的光电流，从而经常将电池的串联串的电流产生限制为该串中遮蔽最多的电池的电流产生，所以同一串联串中的非遮蔽电池可能产生比它们应该所能够产生的功率低得多的功率。此外，电池的遮蔽可以随着一天中的时间、太阳角度、障碍物位置、甚至光伏面板上的风吹树叶或其他碎片的位置而变化。
最大功率点跟踪(MPPT)控制器经常连接在光伏模块与负载(例如逆变器或电池)之间。MPPT控制器通常包括：诸如降压DC-DC变换器等开关电路，其将模块电压下的输入功率变换为负载电压下的负载的输出功率；以及控制电路，其设法找到光伏模块产生最大功率的模块电压。MPPT控制器的开关电路用于解耦光伏模块电压和负载电压。
光伏系统中的光伏模块的并联可以导致反向电流流过系统的各个部分。例如，图1示出了包括三个并联耦合串102的现有技术光伏电力系统100，其中，每个串102包括具有串联电耦合的输出端口106的多个MPPT控制器104。相应的光伏模块108电耦合到每个控制器104的输入端口110。在本文中，可以通过使用括号中的数字(例如，串102(1))来指代项目的特定实例，而不带括号的数字指代任何这样的项目(例如，串102)。
虽然系统100中的串102的并联耦合迫使每个串102具有公共电压，但串102可具有不同的固有电压。例如，串102可以接收不相等的照明，在不同的温度下操作，和/或包括不同数量或类型的光伏模块108及关联的MPPT控制器104，从而使得串102在不同的固有电压下操作。作为另一个示例，可以有意禁用一个串102而启用另一个串102，使得禁用串102具有比启用串102低的固有电压。作为又一个示例，在系统100的停用期间一个串102可以比另一个串102更快地关闭，或者在系统100的启用期间一个串102可以比另一个串102更快地加电，使得至少两个串102暂时具有不同的固有电压。
串102之间的固有电气特性的失配可能导致通过一些串102的反向电流。例如，考虑串102(1)具有比串102(2)或102(3)的开路电压更高的最大功率点电压的情形，使得将串102(1)认为是“强”串，并且将串102(2)和102(3)认为是“弱”串。强串102(1)与弱串102(2)和102(3)的并联耦合可能导致弱串102(2)和102(3)以其负电流状态(current regime)操作，使得正向电流112流过强串102(1)并且反向电流114、116流过弱串102(2)和102(3)中的一个或两个。如果串102(2)、102(3)具有不同的电流-电压特性，则反向电流114、116将具有不同的幅值，使得串102(2)、102(3)不均等地分享反向电流。由于光伏模块108内的光伏电池的电流-电压特性，这样的反向电流不平衡可能很大，从而导致过度的功率损失和系统可靠性问题。因此，串102有时包括阻塞二极管118以防止反向电流流过串。
光伏模块通常只要暴露于光就能够产生能量。这种持续可用的能量可能会带来安全隐患，例如在光伏系统安装、检查或维护期间。此外，可能需要在故障状况期间或在紧急情况期间(例如在火灾期间)限制来自光伏模块的可用能量。
发明内容
在一个实施例中，一种用于控制开关电路的方法，其中所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括以下步骤：(1)进入限压操作模式，以及(2)在限压操作模式中：(i)使开关电路的控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，所述输出电压是所述输出端口两端的电压，以及(ii)根据输出电流的幅值来改变所述最大电压值，所述输出电流是流过所述输出端口的电流。
在一个实施例中，一种用于控制开关电路的方法，其中所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括以下步骤：(1)在开关电路的第一操作模式中，使开关电路的控制开关器件在其导通状态和非导通状态之间反复切换以将功率从光伏器件传输到负载，(2)至少部分地基于输出电流的幅值、输出电流的极性和输出电压的幅值中的一个或多个，在开关电路处确定操作模式改变是适当的，所述输出电压是所述输出端口两端的电压，并且所述输出电流是流过所述输出端口的电流，(3)响应于确定操作模式改变是适当的，将开关电路的操作模式从第一操作模式切换到第二操作模式，所述第二操作模式不同于所述第一操作模式。
在一个实施例中，一种用于控制开关电路的方法，其中所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括以下步骤：(1)进入限流操作模式，以及(2)在限流操作模式中，(a)使开关电路的控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，所述输出电流是流过所述输出端口的电流，以及(b)根据输出电压的幅值改变所述最大电流值，所述输出电压是所述输出端口两端的电压。
在一个实施例中，一种用于控制操作模式控制设备的方法，其中所述操作模式控制设备包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括以下步骤：(1)在操作模式控制设备的第一操作模式中，将功率从光伏器件传输到负载，(2)当输出电流超过光伏器件的短路电流时，使用电耦合在所述输出端口上的开关器件，绕过所述光伏器件分流流过所述输出端口的电流，所述输出电流是流过所述输出端口的电流，(3)将操作模式控制设备的操作模式从第一操作模式切换到禁用操作模式，以及(4)在禁用操作模式中，使开关器件在其导通状态下连续操作。
在一个实施例中，一种具有多种操作模式的开关电路包括用于电耦合到能量产生设备的输入端口和用于电耦合到负载的输出端口、电耦合在输入端口和输出端口之间的控制开关器件、以及控制模块。控制模块包括：(1)操作模式子模块，被配置为进入开关电路的限压操作模式；(2)开关控制子模块，被配置为控制所述控制开关器件的切换；以及(3)限压子模块。限压子模块被配置为在限压操作模式中(a)命令开关控制子模块来使得控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换，以及(b)根据输出电流的幅值来改变最大电压值，所述输出电流是流过所述输出端口的电流。
在一个实施例中，一种具有多种操作模式的开关电路包括用于电耦合到能量产生设备的输入端口、用于电耦合到负载的输出端口、电耦合在输入端口和输出端口之间的控制开关器件、以及控制模块。所述控制模块包括(1)开关控制子模块，被配置为控制所述控制开关器件的切换，使得在所述开关电路的第一操作模式中，所述控制开关器件在其导通状态和非导通状态之间反复切换，以将功率从能量产生设备传输到负载，和(2)操作模式子模块。操作模式子模块被配置为(a)至少部分地基于输出电流的幅值、输出电流的极性和输出电压的幅值中的一个或多个，在开关电路处确定操作模式改变是适当的，所述输出电压是所述输出端口两端的电压，并且所述输出电流是流过所述输出端口的电流，以及(b)响应于确定操作模式改变是适当的，将开关电路的操作模式从第一操作模式切换到第二操作模式，所述第二操作模式不同于所述第一操作模式。
在一个实施例中，一种具有多种操作模式的开关电路包括用于电耦合到能量产生设备的输入端口、用于电耦合到负载的输出端口、电耦合在输入端口和输出端口之间的控制开关器件、以及控制模块。所述控制模块包括：(1)操作模式子模块，被配置为进入所述开关电路的限流操作模式；(2)开关控制子模块，被配置为控制所述控制开关器件的切换；以及(3)限流子模块，被配置为在限流操作模式中，(a)命令所述开关控制子模块来使得所述控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在所述控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，所述输出电流是流过所述输出端口的电流，以及(b)根据输出电压的幅值来改变所述最大电流值，所述输出电压是所述输出端口两端的电压。
在一个实施例中，一种操作模式控制设备包括用于电耦合到光伏器件的输入端口、用于电耦合到负载的输出端口、电耦合在输出端口两端的开关器件、以及控制模块。所述控制模块被配置为：(1)在输出电流超过所述光伏器件的短路电流时使所述开关器件在其导通状态下操作，以绕过所述光伏器件分流流过所述输出端口的电流，所述输出电流是流过所述输出端口的电流，(2)使操作模式控制设备进入禁用操作模式，以及(3)在禁用操作模式中，使开关器件在其导通状态下连续操作。
附图说明
图1示出了包括三个并联耦合的串的现有技术的光伏电力系统。
图2示出了根据一个实施例的包括两个并联耦合的串的电力系统。
图3示出了根据一个实施例的图2的电力系统的开关电路的一个实例。
图4示出了根据一个实施例的类似于图3的开关电路但具有倒置降压型拓扑结构的开关电路。
图5示出了根据一个实施例的图3的开关电路的控制模块。
图6示出了根据一个实施例的具有固定的最大电流值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图7示出了根据一个实施例的具有作为输出电压的函数的最大电流值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图8示出了根据一个实施例的具有作为输出电压的滞后函数的最大电流值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图9示出了根据一个实施例的图3的开关电路的实施例的突发电流操作子模式的一个示例。
图10示出了根据一个实施例的具有固定的最大电压值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图11示出了根据一个实施例的类似于图10所示但是不支持限流操作模式的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图12示出了根据一个实施例的类似于图11所示但是具有作为输出电流幅值的滞后函数的最大电压值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图13示出了对应于图10的输出电流-电压曲线的输出功率-电压曲线。
图14示出了根据一个实施例的类似于图11所示但是具有对应于具有有限斜率的曲线段的最大电压值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图15示出了根据一个实施例的类似于图11所示但具有对应于非线性曲线段的最大电压值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图16是图15的非线性曲线段的放大图。
图17示出了根据一个实施例的用于输出电流-电压曲线是线性的并且具有有限斜率的限压子模块的一个可能的实施例。
图18示出了根据一个实施例的用于输出电流-电压曲线是非线性的限压子模块的一个可能的实施例。
图19示出了根据一个实施例的包括限压子系统的光伏系统。
图20示出了图19的光伏系统的示例性输出电流-电压曲线。
图21示出了根据一个实施例的在反向电流操作模式中具有作为输出电流的函数的最大电压值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图22示出了根据一个实施例的类似于图21所示但是在反向电流操作模式中最大电压值与输入电流具有滞后关系的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图23示出了根据一个实施例的类似于图21所示但是在反向电流操作模式中具有大的固定值的最大电压值的图3的开关电路的实施例的示例性输出电流-电压曲线。
图24示出了根据一个实施例的图3的开关电路的实施例的电流-电压曲线，其中，在开关电路的禁用操作模式中，在输出端口处可用的功率减小到非零值。
图25示出了根据一个实施例的支持从禁用操作模式进入反向电流操作模式的图3的开关电路的实施例的示例性电流-电压曲线。
图26示出了根据一个实施例的支持从禁用操作模式进入反向电流操作模式的图3的开关电路的另一个实施例的示例性电流-电压曲线。
图27示出了根据一个实施例的在支持反向电流操作模式的图3的开关电路的实施例中从MPPT操作模式到禁用操作模式的转换。
图28示出了根据一个实施例的用于控制开关电路的方法。
图29示出了根据一个实施例的用于控制开关电路的另一种方法。
图30示出了根据一个实施例的用于控制开关电路的另一种方法。
图31示出了根据一个实施例的用于控制开关电路的又一种方法。
图32示出了根据一个实施例的用于光伏器件的操作模式控制设备。
图33示出了根据一个实施例的与图32类似但是包括代替图32的操作模式控制设备的开关器件和二极管的单个晶体管的操作模式控制设备。
图34示出了根据一个实施例的与图32类似但是包括代替图32的操作模式控制设备的开关器件和二极管的单个开关器件的操作模式控制设备。
图35示出了根据一个实施例的用于控制操作模式控制设备的方法。
图36示出了根据一个实施例的用于控制操作模式控制设备的另一种方法。
具体实施方式
申请人已经开发了开关电路和相关方法，其显著地推进了从能量产生设备提取功率的现状。这些开关电路具有多种操作模式，包括例如MPPT操作模式、限流操作模式、限压操作模式、反向电流操作模式和/或禁用操作模式。如下面所讨论的，这些操作模式可以有利地促进安全性、可靠性、效率、低成本和/或最小的反向电流幅值。
图2示出了电力系统200，该电力系统200包括电耦合至负载204(例如逆变器、电池充电器或DC至DC变换器)的两个并联耦合的串202。在某些替代实施例中，负载204被另一个能量产生设备(例如电池或发电机)代替或补充。每个串202包括具有串联电耦合的输出端口208的多个开关电路206，使得每个输出端口208均电耦合到负载204。相应的能量产生设备210电耦合到每个开关电路206的输入端口212。能量产生设备210例如是光伏器件、燃料电池、风力涡轮机或一个或多个电池。本文中的术语“光伏器件”是指一个或多个电耦合的光伏电池，例如单结光伏电池、多结光伏电池、互连光伏电池的光伏模块、或多个互连光伏模块的面板。开关电路206的数量以及并联耦合串202的数量可以在不脱离本发明范围的情况下改变。例如，在一个特定的替代实施例中，电力系统200仅包括单个串202。
图3示出了开关电路206的一个实例。每个开关电路206包括输入端口212、输出端口208、控制开关器件214、续流开关器件216和控制模块218。输入端口212包括正输入端子220和负输入端子222，输出端口208包括正输出端子224和负输出端子226。相应的能量产生设备210电耦合在正输入端子220和负输入端子222之间。其他开关电路206的实例和负载204电耦合到正输出端子224和负输出端子226。在图2中仅标出正输入端子220、负输入端子222、正输出端子224和负输出端子226中的每一个的一个实例以提高示出的清晰度。控制开关器件214电耦合在正输入端子220和开关节点228之间，并且续流开关器件216电耦合在开关节点228与负输入端子222和负输出端子226中的每一个之间。在本文献的上下文中，术语“开关器件”是指可被控制以在导通状态与非导通状态之间切换的器件，包括但不限于一个或多个场效应晶体管、双极结型晶体管和/或绝缘栅双极型晶体管。
如图所示，开关电路206可选地还包括电耦合在开关节点228和正输出端子224之间的电感器230以及电耦合在正输出端子224和负输出端子226之间的电容器232。开关电路206可选地还包括电耦合在正输入端子220和负输入端子222之间的输入电容器(未示出)。在省略了电感器230的实施例中，也省略了电容器232，并且正输出端子224直接电耦合到开关节点228。代替开关电路206中的电感器230或者除了开关电路206中的电感器230以外，电力系统200的一些实施例还包括与每个串202串联电耦合的电感器234。使用电感器234代替电感器230可以显著减少系统200中的电感器的数量，这是因为每个串202仅需要一个电感器234，由此促使系统成本低、系统尺寸小和系统简单。此外，在一些实施例中，电感器234是电耦合输出端口208与负载204的电路的互连电感，而不是明确的电感器。这种互连电感有时被称为寄生电感。使用互连电感代替明确的电感器进一步有助于最小化电力系统200的成本和尺寸。关于互连电感的使用的附加信息可以在授予Stratakos等人的美国专利N0.8,872,384中找到，该专利通过引用的方式并入本文。
开关器件214被称为“控制”开关器件，这是因为输入端口212两端的输入电压Vin与输出端口208两端的输出电压Vout之比是开关器件214的占空比的函数。开关电路206具有降压型拓扑结构，其中在连续导通模式操作期间，输出端口208两端的输出电压Vout的平均值等于输入电压Vin与控制开关器件214的占空比的乘积。然而，开关电路206的拓扑结构可以在不脱离本发明范围的情况下进行修改。例如，图4示出了开关电路406，其类似于开关电路206，但具有倒置的降压型拓扑结构，其中相对于开关电路206交换控制开关器件214和续流开关器件216的位置。另外，开关电路206可以被修改为具有除了降压型拓扑结构之外的拓扑结构，例如升压型拓扑结构或降压-升压型拓扑结构。
图5示出了控制模块218，其包括电流感测子模块502、电压感测子模块504、开关控制子模块506、操作模式子模块508、MPPT子模块510、限流子模块512、限压子模块514、反向电流子模块516和禁用子模块518。虽然控制模块218的子模块被示出为分立元件，但是这些子模块中的一个或多个子模块可以被部分地或完全地组合，而不脱离本发明的范围。可以通过硬件、通过执行存储在存储器中的软件或固件形式的指令的处理器或其组合来实现控制模块218。在不脱离本发明的范围的情况下，开关电路206可以进一步包括附加的控制设备(未示出)。
电流感测子模块502确定至少在控制模块218内使用的输出电流Iout的幅值和可选地确定输出电流Iout的极性，其中，输出电流Iout是流过输出端口208的电流，即经由正输出端子224流出开关电路206的电流或者经由负输出端子226流入开关电路206的电流。流过正输出端子224的电流的幅值必定与流过负输出端子226的电流的幅值相同，开关电路206中不存在附加电路(未示出)。在一些实施例中，电流感测子模块502例如通过感测与输出端口208串联电耦合的电流感测电阻器两端的电压，或者通过感测电感器230的寄生电阻两端的电压来直接确定输出电流Iout的幅值。在一些其它实施例中，电流感测子模块502例如根据输入电流Iin的幅值和控制开关器件214的占空比，或者通过使用Stratakos等人的美国专利No.6,160,441和6,445,244(其每一个都通过引用的方式并入本文)中公开的方法来间接地确定或估计输出电流Iout的幅值。
电压感测子模块504确定至少在控制模块218内使用的输出电压Vout的幅值。在一些实施例中，电压感测子模块504例如通过对输出端口208两端的电压进行采样来直接确定输出电压Vout的幅值，而在其它实施例中，电压感测子模块504例如基于输入端口212两端的输入电压Vin的幅值和控制开关器件214的占空比间接确定或估计输出电压Vout的幅值。例如，在特定实施例中，在开关电路206的连续导通模式操作期间，电压感测子模块504根据输入电压Vin与控制开关器件214的占空比的乘积来确定输出电压Vout。
开关控制子模块506根据来自MPPT子模块510、限流子模块512、限压子模块514、反向电流子模块516和禁用子模块518中的一个或多个的命令来控制控制开关器件214和续流开关器件216的操作。具体地，开关控制子模块506根据子模块510、512、514、516和518中的一个或多个的命令使得控制开关器件214典型地以至少在千赫兹范围内的频率在控制开关器件214的导通状态和非导通状态之间反复切换，以在能量产生设备210和负载204之间传输功率。因此，开关电路206可以被广泛地认为是一种能量耦合设备，其将相应的能量产生设备210与负载204电耦合。在一些实施例中，开关控制子模块506以脉宽调制(“PWM”)方式或以脉冲频率调制(“PFM”)方式控制控制开关器件214的切换以控制开关电路206的参数，例如Vout的幅值、Vin的幅值、Iout的幅值和/或Iin的幅值中的一个或多个。例如，在一个特定实施例中，开关控制子模块506包括锯齿波形发生器和用于将锯齿波形与控制信号进行比较的比较器，以产生用于控制控制开关器件214的PWM控制信号，以便调节开关电路206的一个或多个参数。
开关控制子模块506还使得续流开关器件216在其导通状态和非导通状态之间切换以执行续流功能，或者换言之，使得续流开关器件216在控制开关器件214处于其非导通状态中时为流过输出端口208的电流提供路径。在某些实施例中，开关控制子模块506使得续流开关器件216以与控制开关器件214互补的方式切换，在连续导通状态之间具有死时间，以防止控制开关器件214和续流开关器件216的同时导通。在一些实施例中，开关控制子模块506还适于在开关电路206的旁路操作模式中使续流开关器件216以其导通状态连续操作。在开关电路206的一些替代实施例中，续流开关器件216由二极管代替或补充。
操作模式子模块508控制开关电路206的操作模式。开关电路206包括MPPT操作模式、限流操作模式、限压操作模式、反向电流操作模式和禁用操作模式。例如，基于由电流感测子模块502确定的输出电流Iout的幅值和/或由电压感测子模块504确定的输出电压Vout的幅值，操作模式子模块508在操作模式之间切换开关电路206，如下面讨论的那样。因此，在某些实施例中，开关电路206能够基于开关电路206的操作状况(例如基于输出电流Iout的幅值、输出电流Iout的极性和/或输出电压Vout的幅值)在操作模式之间自主地切换。因此，在这些实施例中，开关电路206能够适当地在操作模式之间切换，而无需与外部设备通信。例如，在一些实施例中，基于(a)由电流感测子模块502确定输出电流Iout和/或(b)由电压感测子模块504确定的输出电压Vout，操作模式子模块508使开关电路206从其MPPT操作模式切换到其限流操作模式，或从其MPPT操作模式切换到其限压操作模式。然而，开关电路206不限于自主操作。例如，在一些实施例中，操作模式子模块508响应于外部信号(例如，从外部源接收的关闭信号)而使开关电路206切换到其禁用操作模式。
可以修改开关电路206以支持少于全部的前述操作模式。例如，开关电路206的一个替代实施例不支持禁用操作模式，因此，在该替代实施例中，从控制模块218中省略禁用子模块518。
可以将开关电路206修改为不支持MPPT，例如在开关电路206仅旨在执行限压和/或限流的应用中。在这样的替代实施例中，MPPT子模块510由替代子模块(未示出)代替，该替代子模块使得开关电路206保持输入电压Vin与输出电压Vout之间的固定关系。例如，在不支持MPPT的开关电路206的一个替代实施例中，MPPT子模块510由替代子模块代替，该替代子模块命令开关控制子模块506使控制开关器件214以固定占空比操作，例如固定的100％占空比。
MPPT子模块510支持开关电路206的MPPT操作模式。具体地，在MPPT操作模式中，MPPT子模块510命令开关控制子模块506以最大化从能量产生设备210传输到负载204的功率量的方式控制控制开关器件214的切换，例如使用扰动和观测MPPT技术或本领域已知的另一MPPT技术。在一些实施例中，MPPT子模块510使用McJimsey等人的美国专利申请公开No.2014/0103894(其通过引用的方式并入本文中)公开的技术执行MPPT。
限流子模块512支持开关电路206的限流操作模式。具体地，在限流操作模式中，限流子模块512命令开关控制子模块506以将输出电流Iout的幅值限制为最大电流值的方式(例如，通过限制控制开关器件214的占空比或频率)控制控制开关器件214的切换。对输出电流Iout的幅值的这种限制有利地最小化或者甚至消除了由输出电流Iout的大幅值引起的过度功耗、过度加热和/或设备损坏的可能性。限制输出电流Iout的幅值还可以允许降低开关电路206内部和外部的导体的电流承载能力，由此促进低成本和小系统尺寸。例如，响应于由电流感测子模块502确定的输出电流Iout的幅值达到或超过阈值，和/或响应于由电压感测子模块504确定的输出电压Vout的幅值下降到阈值以下，操作控制子模块508使得MPPT控制器206从其MPPT操作模式切换到其限流操作模式。
在一些实施例中，最大电流值独立于输出电压Vout。例如，图6示出了能量产生设备210是光伏器件并且最大电流值是固定值604的MPPT控制器206的实施例的示例性输出电流-电压曲线602。以虚线示出的曲线606示出了不支持限流操作模式的开关电路206的替代实施例的电流-电压曲线。从图6中可以理解，限流子模块512命令开关控制子模块506防止输出电流Iout在输出电压Vout的低值处超过固定值604。还应该理解的是，从MPPT操作模式到限流操作模式的转换608是无缝的，这是因为在操作模式转换期间不会中断从能量生成设备210到负载204的功率传输。
在一些其他实施例中，最大电流值是输出电压Vout的函数。例如，图7示出了开关电路206的实施例的示例性输出电流-电压曲线702，其中，最大输出电流值与输出电压Vout成比例。尽管图7示出了最大输出电流值702和输出电压Vout之间的线性关系，但是这种关系在不脱离本发明的范围的情况下可以采取不同的形式。例如，图8示出了最大输出电流值与输出电压Vout具有滞后关系的实施例的示例性输出电流-电压曲线802。
在最大输出电流值与输出电压Vout具有非固定关系的某些实施例中，限流子模块512可选地进一步支持突发电流操作子模式。突发电流操作子模式的特征在于限流子模块512命令开关控制子模块506控制控制开关器件214的切换以暂时允许输出电流Iout的幅值超过最大电流值，或者换言之，允许输出电流Iout例如周期性或随机地“突发”到更高的值。输出电流Iout的这种暂时性突发可以允许开关电路206“爬出”短路状况，或者换言之，在仍限制输出电流Iout的平均幅值的同时，将输出电压Vout驱动得足够高以退出限流操作模式。
图9是示出突发电流操作子模式的一个可能实施方式的输出电流Iout相对于时间的曲线图。在时间t0，输出电流Iout的幅值达到最大电流阈值902，并且作为响应，操作模式子模块508使开关电路206从其MPPT操作模式切换到其限流操作模式。在本实施例中，将输出电流Iout的幅值限制为在限流操作模式中的最大电流值904。然而，在时间t1和t2，限流子模块512允许输出电流Iout的幅值在短突发时间段tb中暂时超过最大电流值904。虽然图9示出了在突发时间段tb期间输出电流Iout的幅值被限制为最大电流阈值902，但是在突发时间段期间输出电流Iout的幅值可以被限制为不同的值。
限压子模块514支持开关电路206的限压操作模式。具体地，在限压操作模式中，限压子模块514命令开关控制子模块506以将输出电压Vout的幅值限制为最大电压值的方式(例如，通过限制控制开关器件214的频率或占空比)来控制控制开关器件214的切换。对输出电压Vout的幅值的这种限制可以有利地最小化或者甚至消除由于输出电压Vout的过大幅值而造成的电击或设备损坏的可能性。限制输出电压Vout的幅值还可以降低电力系统200内的电弧放电的可能性。此外，在负载204由另一能量产生设备代替或补充的实施例中，限制输出电压Vout的幅值可以防止另一能量产生设备免于遭受过压状况。例如，响应于由电压感测子模块504确定的输出电压Vout的幅值达到或超过阈值，和/或响应于由电流感测子模块502确定的输出电流Iout的幅值下降到阈值以下，操作控制子模块508使得开关电路206从其MPPT操作模式切换到其限压操作模式。
在一些实施例中，最大电压值独立于输出电流Iout。例如，图10示出了能量产生设备210是光伏器件并且最大电压值是固定值1004的开关电路206的实施例的示例性输出电流-电压曲线1002。以虚线示出的曲线1006示出了不支持限压操作模式的开关电路206的替代实施例的电流-电压曲线。从图10中可以理解，限压模块514在输出电流Iout的低值处防止输出电压Vout超过固定值1004。还应该理解，从MPPT操作模式到限压操作模式的转换1010是无缝的，这是因为在操作模式转换期间，不会中断从能量产生设备210到负载204的功率传输。图10中所示的实施例还支持限流操作模式，其中将最大输出电流限制为固定的最大电流值1008。然而，可以修改该实施例以使得最大电流值与输出电压Vout具有不同的关系，例如类似于如图7或8所示的关系。另外，可以将图10中所示的实施例修改为不支持限流操作模式。例如，图11示出了如图10所示的但不支持限流操作模式的开关电路206的实施例的示例性输出电流-电压曲线1102。
在一些其他实施例中，最大电压值是输出电流Iout的函数。例如，最大电压值可以与输出电流幅值成比例，或者最大电压值可以是输出电流Iout的滞后函数，类似于上面关于限流子模块512所讨论的方式。例如，图12示出了类似于图10中所示的但具有作为输出电流Iout的滞后函数的最大电压值的开关电路206的实施例的示例性输出电流-电压曲线1202。
申请人还确定，从MPPT操作模式到限压操作模式的急剧转换，例如图10的转换1010，在某些应用中可能会存在问题。具体地，急剧的操作模式转换可能会触发系统不稳定。另外，急剧的操作模式转换可能削弱或消除以下能力：通过增大输出电压而越过最大功率点而降低功率输出，这在由能量产生设备210产生的功率大于负载204所需的功率时是期望的。例如，考虑这样的情形，开关电路206具有图10的示例性输出电流-电压曲线1002，并且希望降低功率输出以匹配负载的功率要求。通过将输出电压增大到超过固定值1004来降低功率输出是不可行的，原因在于这样做会由于电流-电压曲线1002在转换1010之外的基本上无限大的斜率而消除功率输出。从图13来看，这种限制是明显的，图13示出了对应于图10的输出电流-电压曲线1002的输出功率-电压曲线1302。如图13所示，在转换1010之外操作开关电路206没有功率输出。
因此，在一些实施例中，限压子模块514命令开关控制子模块506控制控制开关器件214的切换，以在限压操作模式中根据具有有限斜率的最大电压曲线限制输出电压Vout的幅值，以缓和MPPT操作模式和限压操作模式之间的转换。例如，图14示出了类似于图10所示但在限压操作模式中具有对应于曲线段1404的最大电压值的开关电路206的实施例的示例性输出电流-电压曲线1402，其中，曲线段1404具有有限斜率k，k是电流变化与电压变化的比值。在一些实施例中，k等于每伏特10安培。曲线段1404具有有限斜率k的事实降低了在MPPT操作模式和限压操作模式之间的转换1406处的输出电流-电压曲线1402的锐度，由此提高了转换1406处的系统稳定性。曲线段1404的有限斜率还可以通过增大输出电压而越过最大功率点来实现降低输出功率，这是因为在转换1406处输出功率不会突然下降到零。
在一些其他实施例中，在限压操作模式中，限压子模块514命令开关控制子模块506控制控制开关器件214的切换，以根据非线性的最大电压曲线限制输出电压Vout的幅值。例如，图15示出了类似于图10所示但是在限压操作模式中具有对应于非线性曲线段1504的最大电压值的开关电路206的实施例的示例性输出电流-电压曲线1502。图16是非线性曲线段1504的放大图。曲线段1504具有第一部分1506和第二部分1508。第一部分1506具有斜率k1，并且第二部分1508具有斜率k2，其中，斜率k2大于斜率k1。第一部分1506的相对较小的斜率k1有利地提高了系统的稳定性和通过增大输出电压而越过最大功率点来降低功率输出的能力，而第二部分1508的相对较大的斜率k2有助于防止过大的输出电压幅值。第二部分1508远离MPPT操作模式和限压操作模式之间的转换1510。因此，第二部分1508的斜率k2可以非常大，并且甚至可以是无限大，而不会不利地影响系统稳定性或不适当地限制越过最大功率点的操作。在不脱离本发明范围的情况下，可以将曲线段1504修改为具有附加部分，或者具有不同的形状。
图17示出了限压子模块1700，其是用于输出电流-电压曲线是线性的并且具有有限斜率的实施例(例如图14所示的实施例)中的限压子模块514的一个可能实施例。限压子模块1700包括接口块1702、减法块1704、电压基准1706和输出电流缩放块1708。电压基准1706提供与输出电流-电压曲线的零电流截距(intercept)(例如图14中的零电流截距1408)幅值相等的电压基准Vref。输出电流缩放块1708生成具有幅值k×Iout的信号1710，其中，Iout是由电流感测子模块502确定的流过输出端口208的电流的幅值，并且k是限压操作模式中的输出电流-电压曲线的斜率。减法块1704从电压基准Vref中减去信号1710以产生输出电压命令Vlimit，使得Vlimit＝Vref-k×Iout。在限压操作模式中，接口块1702与开关控制子模块506协作以控制控制开关器件214的切换，以将输出电压Vout限制为输出电压命令Vlimit。
图18示出了限压子模块1800，其是用于输出电流-电压曲线是非线性的实施例(例如图15所示的实施例)中的限压子模块514的一个可能的实施例。限压子模块1800类似于图17的限压子模块1700，但用输出电流缩放块1808代替了输出电流缩放块1708。输出电流缩放块1808生成具有如下幅值的信号1810：(1)当Iout的幅值大于或等于阈值(例如图16中的阈值1512)时，k1×Iout；以及(2)当Iout的幅值小于阈值时，k2×Iout，其中，k2大于k1。在一些实施例中，k2和k1分别与图15和16中的斜率k2和k1相同。在一些其他实施例中，输出电流缩放块1808基于输出功率幅值或外部信号而不是输出电流幅值来确定在生成信号1810时使用哪个表达式。例如，在一些替代实施例中，输出电流缩放块1808生成具有如下幅值的信号1810：(1)当输出功率的幅值大于或等于阈值时，k1×Iout；以及(2)当输出功率的幅值小于阈值时，k2×Iout，其中，k2大于k1。
减法块1704从电压Vref中减去信号1810以产生输出电压命令Vlimit，使得Vlimit＝Vref-k1×Iout或Vlimit＝Vref-k2×Iout，这取决于输出电流Iout或输出功率的幅值。在限压操作模式中，接口块1702与开关控制子模块506协作以控制控制开关器件214的切换，以将输出电压Vout限制为输出命令Vlimit。
应该认识到，根据具有有限斜率的最大电压曲线限制输出电压的技术不限于上面讨论的实施例。相反，该技术可以应用于最大输出电压受限的任何光伏应用，包括没有最大功率点跟踪的应用。例如，图19示出了包括光伏器件1902、输出端口1904和限压子系统1906的光伏系统1900。光伏器件1902包括一个或多个电耦合在一起的光伏电池，并且在一些实施例中，光伏器件1902是光伏模块或光伏面板。
图20示出了光伏系统1900的示例性输出电流-电压曲线2002。在对应于图20中的转换点2004左侧的操作的正常操作期间，限压子系统1906不影响光伏系统1900的操作，并且输出端口1904两端的输出电压Vout与光伏器件1902上的电压相同。当输出端口1904两端的电压Vout达到阈值2006时，光伏系统1900从正常操作切换到对应于转换点2004右侧的操作的限压操作模式。在限压操作模式中，限压子系统1906根据曲线2002的具有有限斜率k的段2008来限制输出电压Vout的幅值。虚线2010示出了如果不存在限压子系统1906，那么输出电流-电压曲线的右侧部分将是什么样子。可以修改限压子系统1906，使得段2008是非线性的，例如具有与以上关于图15讨论的形状相类似的形状。在一些实施例中，限压子系统1906用类似于图2或4的开关电路来实现，其中，控制模块218仅包括电压感测子模块504、开关控制子模块506、操作模式子模块508和限压子模块514。然而，限压子系统1906可以采取不同功率变换器的形式，例如与光伏器件1902和输出端口1904串联电耦合的降压-升压型或者Cúk变换器，或分路调节器，而不脱离本发明的范围。
回到图3和5，例如在开关电路206的制造、安装或上电期间设置限流子模块512的最大电流值的特性和限压子模块514的最大电压值的特性。然而，在一些实施例中，可以在开关电路206的操作期间调整这些值的特性，以便允许响应于操作环境改变来重新配置开关电路。
反向电流子模块516支持开关电路206的反向电流操作模式。例如，当由电流感测子模块502确定的输出电流Iout的DC分量具有负极性并且因此沿着反向或负向流动，即经由输出端口208的正输出端子224流入开关电路206，而不是经由正输出端子224流出开关电路206时，操作模式子模块508使得开关电路206在其反向电流操作模式中操作。在某些实施例中，操作模式子模块508通过检测由电流感测子模块502确定的输出电流Iout的幅值下降到阈值以下来检测反向电流状况，其中，阈值为零安培或接近零安培，例如略高于或低于零安培。因此，反向电流状况可以包括输出电流Iout具有略微正值的状况以及输出电流Iout具有负值的状况。在某些其他实施例中，操作模式子模块508通过检测输出电流Iout的极性变化来检测反向电流状况。例如，如果一个串202在另一个串202之前关闭，如果故意禁用一个串202，或者如果一个串202比另一个串202产生更多的能量，则可能出现反向电流状况。如上所述，光伏器件串在反向电流状况期间容易出现显著的电流不平衡，并且有时提供阻塞二极管来阻塞反向电流。
如上所述，限制输出电压Vout的幅值在许多情况下是有益的。然而，可能期望允许输出电压Vout在反向电流状况下上升以限制反向电流幅值。具体地，在反向电流状况期间允许输出电压Vout跟踪输入电压Vin促成负电流反馈，有时被称为“抵消(stand-off)”，这有助于防止反向电流的传导。因此，在某些实施例中，响应于检测到反向电流状况，操作模式子模块508使得开关电路206从其限压操作模式切换到其反向电流操作模式。反向电流子模块516将最大电压值从其在限压操作模式中的最新值增大到更高值，使得允许输出电压Vout上升并跟踪输入电压Vin。另外，在具有升压能力的开关电路206(例如升压型或降压-升压型拓扑架构)的一些替代实施例中，在反向电流操作模式中输出电压Vout的幅值可以大于输入电压Vin的幅值。开关电路206中的反向电流操作模式的实现可以有利地消除对串202中的阻塞二极管的需要，由此促进低系统成本和高系统可靠性。
在一些实施例中，反向电流子模块516根据输出电流Iout的绝对值增大最大电压值，使得允许输出电压Vout上升并跟踪输入电压Vin。图21是示出以这种方式实现反向电流操作模式的开关电路206的实施例的一个示例的示例性输出电流-电压曲线2102。以虚线示出的曲线2104示出了不支持限压或限流操作模式的开关电路206的替代实施例的电流-电压曲线。在该示例中，当由电压感测子模块504确定的输出电压Vout达到阈值2106时，操作模式子模块508使开关电路206从其MPPT操作模式切换到其限压操作模式。当由电流感测子模块502确定的输出电流Iout下降至低于阈值2108(这表示反向电流状况)时，操作模式子模块508使开关电路206从其限压操作模式切换至其反向电流操作模式。反向电流子模块516使反向电流操作模式中的最大电压值与输出电流Iout的绝对幅值成比例地增大。因此，在反向电流操作模式中，输出电压Vout随着输出电流Iout的幅值的绝对值增大而增大。一旦输出电流Iout的幅值的绝对值达到阈值2110，输出电压Vout就跟踪输入电压Vin。
虽然图21示出了最大电压值与输出电流Iout之间的关系在阈值2108和2110之间是线性的，但最大电压值可以与输出电流Iout具有不同的关系，例如滞后关系。例如，图22是示出在反向电流操作模式中在最大电压值和输出电流Iout之间具有滞后关系的开关电路206的实施例的一个示例的示例性输出电流-电压曲线2202。具体地，当由电流感测子模块502确定的输出电流Iout下降至低于阈值2208时，开关电路进入反向电流操作模式，并且当输出电流Iout上升到高于阈值2210时，开关电路退出反向电流操作模式。
图21中示出的实施例还支持限流操作模式，其中，将最大输出电流限制为固定的最大电流值2112。然而，可以修改该实施例，使得最大电流值与输出电压Vout具有不同的关系，例如类似于图7或8所示的关系。另外，可以将图21的实施例修改为不支持限流操作模式。
在一些其他实施例中，在反向电流操作模式中将最大电压值设定为相对较大的固定值。例如，在特定实施例中，反向电流子模块516将最大电压值从限压操作模式中的其最新值大幅增大到反向电流操作模式中的更高的固定值。例如，图23是示出在反向电流操作模式中具有固定最大电压值的实施例的一个示例的示例性输出电流-电压曲线2302。开关电路206在阈值2308处进入反向电流操作模式，并且输出电压Vout与输出电流Iout的绝对值成比例线性增大，直到输出电流Iout达到阈值2310为止。输出电压Vout随着输出电流Iout的绝对值在反向电流操作模式中增大超过阈值2310而保持在固定的最大值2312。需要注意，在反向电流操作模式中，输出电压Vout可以大于输入电压Vin，从而与将Vout限制为Vin的实施例相比实现更大的抵消能力。在图23的实施例中，Vout根据操作模式和操作状况可以小于或大于Vin这一事实使开关电路206具有降压-升压型拓扑结构成为必需。
禁用子模块518支持开关电路206的禁用操作模式。具体地，在禁用操作模式中，禁用子模块518命令开关控制子模块506来控制控制开关器件214的切换以减少或消除在输出端口208处来自能量产生设备210的可用功率。操作模式子模块508使得开关电路206例如响应于外部信号(例如来自电力系统200内的主控制器(未示出)的信号或者在电力系统200外部生成的信号)而进入其禁用操作模式。例如，在电力系统200的安装、检查或维护期间使用禁用操作模式来限制电力系统200中的可用功率。禁用操作模式还可以用于在紧急情况下限制电力系统200中的可用功率。禁用子模块518还能够响应于操作模式子模块508使得开关电路206退出其禁用操作模式来命令开关控制子模块506控制控制开关器件214的切换以增大在输出端口208处来自能量产生设备210的可用功率。
禁用操作模式的特征在于禁用子模块518命令开关控制子模块506来使得控制开关器件214以减少或消除在输出端口208处来自能量产生设备210的可用功率的方式进行切换。在一些实施例中，禁用子模块518例如通过使得控制开关器件214在其非导通状态下连续操作并且通过使续流开关器件216在其导通状态下连续操作来完全消除在输出端口208处来自能量产生设备210的可用功率。然而，在一些其他实施例中，禁用子模块518例如通过限制控制开关器件214的占空比或频率，而将在输出端口208处来自能量产生设备210的可用功率减少到非零值，例如，以在仍然提供用于电力系统200的有限功率的同时最小化电击的可能性。
例如，图24示出了禁用子模块518将输出端口208处的可用功率降低到非零值的开关电路206的实施例中的电流-电压曲线。曲线2402对应于开关电路206在其禁用操作模式之外操作，并且包括三个段2404、2406和2408。段2404对应于最大功率操作，其中，输出端口208处的可用功率受可从能量产生设备210获得的功率限制。段2406对应于最大电流操作，其中，将输出电流Iout限制为最大值2410。段2408对应于最大电压操作，其中，将输出电压Vout限制为最大值2412。
另一方面，曲线2414对应于开关电路206在其禁用操作模式中操作，并且包括三个段2416、2418和2420。从图24可以理解，在禁用操作模式中，输出端口208处仍有一些功率可用。段2416对应于最大功率操作，其中，将输出端口208处可用的功率限制为由段2416表示的预定水平。段2418对应于最大电流操作，其中，将输出电流Iout限制为最大值2422。段2420对应于最大电压操作，其中，将输出电压Vout限制为最大值2424。应该注意的是，最大功率段2416的特性是最大值2422和2424的函数。例如，增大最大值2422或最大值2424将增大最大功率段2416的长度，而减小最大值2422或最大值2424将减小最大功率段2416的长度。此外，可以相当大地减小最大值2422或2424，使得段2416变成单个点。
禁用子模块518例如通过以下方式使得开关电路206进入禁用操作模式：命令限流子模块512将最大电流值减小到值2422，如箭头2426所示，从而将输出电流Iout的幅值限制为值2422。在这些实施例中，禁用子模块518通过命令限流子模块512将最大电流值增大到值2410(如箭头2428所示)，由此允许输出电流Iout达到值2410，而使开关电路206退出禁用操作模式。最大电流值2410和2422之间的转换例如以线性斜坡率、非线性斜坡率或离散步进模式进行，选择线性斜坡率、非线性斜坡率或离散步进模式以在最小化电力系统200中的瞬态扰动与实现快速转换到禁用操作模式和从禁用操作模式中转换出来之间实现可接受的折衷。例如，可以通过使用与Kahn等人的美国专利No.8,044,648(其通过引用的方式并入本文中)公开的技术相似的技术，在转换期间例如逐个脉冲地限制输出电流Iout的峰值来控制从最大电流值2422到最大电流值2410的转换。
在一些其他实施例中，禁用子模块518通过命令限压子模块514将最大电压值减小到值1224，如箭头1230所示，由此将输出电压Vout的幅值限制为值1224而使开关电路206进入禁用操作模式。在这些实施例中，禁用子模块518通过命令限压子模块514将最大电压值增大到值2412(如箭头2432所示)，由此允许输出电压Vout达到值2412而使开关电路206退出禁用操作模式。最大电压值2412和2424之间的转换例如以线性斜坡率、非线性斜坡率或离散步进模式进行，选择线性斜坡率、非线性斜坡率或离散步进模式以在最小化电力系统200中的瞬态扰动与实现快速转换到禁用操作模式和从禁用操作模式中转换出来之间实现可接受的折衷。如下所述，输出电压Vout的降低速率潜在地受输出电流Iout以及限压子模块514所命令的最大电压值的影响。
在进一步的其他实施例中，禁用子模块518控制输出端口208处的可用功率，即输出电流Iout与输出电压Vout的乘积，以转换到禁用操作模式和从禁用操作模式中转换出来。在这些实施例中，禁用子模块518通过命令限流子模块512和限压子模块514二者将输出端口208处可用的功率降低到由段2416表示的功率，如箭头2434所示，而使得开关电路206进入禁用操作模式。在这些实施例中，禁用子模块518通过命令限流子模块512和限压子模块514二者将输出端口208处可用的功率增大至由段2404表示的功率，如箭头2436所示，而使得开关电路206退出禁用操作模式。输出端口208处的可用功率水平之间的转换例如以线性斜坡率、非线性斜坡率或离散步进模式进行，选择线性斜坡率、非线性斜坡率或离散步进模式以在最小化电力系统200中的瞬态扰动与实现快速转换到禁用操作模式和从禁用操作模式中转换出来之间实现可接受的折衷。
开关电路206可以在其禁用操作模式中操作时经历反向电流状况，例如，由于没有在其禁用模式中操作的其他开关电路206的实例的操作。因此，在某些实施例中，操作控制模块508响应于在禁用操作模式中发生反向电流状况而使得开关电路206转换到其反向电流操作模式。在这种情况下，反向电流子模块516以与上面讨论的类似的方式操作，以将最大电压值从禁用操作模式中的其最新值增大到更高值，使得允许输出电压Vout上升并且跟踪输入电压Vin。因此，从禁用操作模式切换到反向电流操作模式有助于防止串202传导反向电流。
图25是示出实现禁用操作模式和反向电流操作模式两者的开关电路206的一个示例的示例性电流-电压曲线2502。以虚线示出的曲线2504示出了当能量产生设备210是光伏器件时能量产生设备的电流-电压曲线。在该示例中，无论正输出电流Iout的幅值如何，禁用子模块518都使得输出电压Vout在禁用操作模式中基本为零。然而，当由电流感测子模块502确定的输出电流Iout下降至低于阈值2506(这表示反向电流状况)时，操作模式子模块508使得开关电路206从其限压操作模式切换到其反向电流操作模式。反向电流子模块516将反向电流操作模式中的最大电压值与输出电流Iout的绝对幅值成比例地增大。因此，输出电压Vout随着输出电流Iout的幅值的绝对值增大而增大。一旦输出电流Iout的幅值的绝对值达到阈值2508，输出电压Vout就跟踪输入电压Vin。尽管图25将阈值2506和2508之间的最大电压值和输出电流Iout之间的关系示出为线性的，但是最大电压值可以与输出电流Iout具有不同的关系，例如滞后关系。另外，输出电压Vout可以可替换地在反向电流操作模式中线性增大到固定的最大值，其中，固定的最大值高于或低于输入电压Vin。
图26是示出从禁用操作模式切换到反向电流操作模式的另一示例的示例性电流-电压曲线2602。在该示例中，开关电路206以类似于上文关于图24所论述的方式在禁用操作模式中将在输出端口208处可用的功率减少到非零值(由段2604、2606和2608表示)。然而，当由电流感测子模块502确定的输出电流Iout下降至低于阈值2610时，反向电流子模块516以滞后方式增大输出电压Vout的幅值，使得输出电压Vout跟踪输入电压Vin。另一方面，当输出电流Iout的幅值上升到高于阈值2612时，开关电路206返回到其禁用操作模式。以虚线示出的曲线2614示出了不支持限压操作模式的替代实施例的电流-电压曲线。
在某些实施例中，禁用操作模式至少部分地特征在于减小最大电压值，例如从值2412减小到值2424，如以上关于图24所讨论的。尽管减小最大电压值减小了输出电压Vout的最大命令值，但输出电压实际上可能不会减小，除非开关电路206吸收电流，或者换言之，提供负电流或反向电流Iout。具体地，输出端口208两端可能存在相当大的电容，例如负载204的电容，其可能需要由开关电路206放电以减小输出电压Vout。如果允许输出电压Vout以不受控制的方式减小，那么这种负电流或反向电流的幅值可能非常大。
然而，申请人已经发现，反向电流操作模式可以在减小输出电压Vout时，例如在进入禁用操作模式时，有利地有助于限制反向电流的幅值。例如，考虑图27，其类似于图25，但是还包括示出了在禁用操作模式之外的操作的示例性电流-电压曲线2710。假定开关电路206在曲线2710上的点2712处以其MPPT操作模式操作。现在假定：命令开关电路206转换到其禁用操作模式，并且输出端口208两端的相当大的电容必须放电。如箭头2720所示，开关电路206的操作点将移动到反向电流曲线2716上的点2714，以使电容放电。然后，操作将沿着反向电流曲线2716沿由箭头2722指示的方向继续移动，直到达到输出电压Vout基本为零的阈值2506。
应该理解的是，在图27的情形中支持反向电流操作模式允许输出电压Vout以受控方式减小，其中依照反向电流曲线2716将反向电流限制为值2718。如果不支持反向电流操作模式，则反向电流的幅值将远大于当转换到禁用操作模式时的值2718。可以通过在可用输出功率在禁用操作模式中为非零的实施例中(例如在类似于图24的情形中)支持反向电流操作模式来实现类似的益处。
图28示出了用于控制开关电路的方法2800，该开关电路包括电耦合到能量产生设备的输入端口和电耦合到负载的输出端口。在步骤2802中，开关电路在第一操作模式中操作，并且使第一开关器件在其导通状态与非导通状态之间重复切换以将功率从能量产生设备传输到负载。在步骤2802的一个示例中，MPPT子模块510命令开关控制子模块506来使控制开关器件214切换，从而使得从能量产生设备210传输到负载204的功率最大化(参见图3和图5)。在步骤2804中，开关电路在限流操作模式中操作，并且使第一开关器件在其导通状态和非导通状态之间反复切换，以将开关电路的输出电流限制为最大电流值。在步骤2804的一个示例中，限流子模块512命令开关控制子模块506来使控制开关器件214切换，从而使得将流过输出端口208的输出电流Iout限制为最大电流值。
图29示出了用于控制开关电路的方法2900，该开关电路包括电耦合到能量产生设备的输入端口和电耦合到负载的输出端口。在步骤2902中，开关电路在第一操作模式中操作，并且使第一开关器件在其导通状态与非导导通状态之间重复切换以将功率从能量产生设备传输到负载。在步骤2902的一个示例中，MPPT子模块510命令开关控制子模块506以使控制开关器件214切换，从而使得从能量产生设备210传输到负载204的功率最大化(参见图3和图5)。在步骤2904中，开关电路在限压操作模式中操作，并且使第一开关器件在其导通状态与非导通状态之间反复切换，以将开关电路的输出电压限制为最大电压值。在步骤2904的一个示例中，限压子模块514命令开关控制子模块506以使控制开关器件214切换，从而使得将端口208两端的输出电压Vout限制为最大电压值。
图30示出了用于控制开关电路的方法3000，该开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口。在步骤3002中，开关电路进入限压操作模式。在步骤3002的一个示例中，操作模式子模块508响应于输出端口208两端的电压Vout达到阈值而使开关电路206进入其限压操作模式(参见图3和图5)。在步骤3004中，使开关电路的控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，其中，输出电压是输出端口两端的电压。在步骤3004的一个示例中，限压子模块514命令开关控制子模块506使控制开关器件214进行切换，从而使得将输出端口208两端的输出电压Vout限制为最大电压值。在步骤3006中，根据输出电流的幅值来改变最大电压值，其中，输出电流是流过输出端口的电流。在步骤3006的一个示例中，限压子模块514根据流过输出端口208的电流Iout改变最大电压值，如图12、14或15所示。
图31示出了用于控制开关电路的方法3100，该开关电路包括电耦合到能量产生设备的输入端口和电耦合到负载的输出端口。在步骤3102中，开关电路进入限流操作模式。在步骤3102的一个示例中，操作模式子模块508响应于流过输出端口208的电流Iout达到阈值而使开关电路206进入其限流操作模式(参见图3和图5)。在步骤3104中，使开关电路的控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，其中，输出电流是流过输出端口的电流。在步骤3104的一个示例中，限流子模块512命令开关控制子模块506使控制开关器件214切换，从而使得将流过输出端口208的输出电流Iout限制为最大电流值。在步骤3106中，根据输出电压的幅值来改变最大电流值，其中，输出电压是输出端口两端的电压。在步骤3106的一个示例中，限流子模块512根据输出端口208两端的电压Vout改变最大电流值，如图7或8所示。
图32-34示出了用于控制光伏器件的操作模式的替代能量耦合设备。使用图32-34的设备代替开关电路206，这是因为在仅需要能够禁用和旁路光伏器件的成本敏感的应用中可能需要能量耦合设备，例如在MPPT、限压、限流和低功率禁用能力不是必需的应用中。
图32示出了用于启用和禁用光伏器件的操作模式控制设备3200。操作模式控制设备3200包括用于电耦合到光伏器件3204的输入端口3202、用于电耦合到负载的输出端口3206、控制模块3208、以及均与输入端口3202和输出端口3206二者并联电耦合的开关器件3210和二极管3212。
操作模式控制设备3200具有启用操作模式和禁用操作模式二者。在启用操作模式中，控制模块3208使开关器件3210在其非导通状态下连续操作。当通过输出端口3206的电流超过光伏器件3204的短路电流时，电流将流过二极管3212，从而绕过光伏器件3204分流电流并且使输出端口3206两端的电压被钳位到足够大的负值，以使二极管3212导通。相反，在禁用操作模式中，控制模块3208使开关器件3210在其导通状态下连续操作，由此使光伏器件3204短路并且使得输出端口3206处没有功率可用。
图33示出了操作模式控制设备3300，其类似于操作模式控制设备3200，但是其中用包括寄生体二极管3312的单个晶体管3310代替开关器件3210和二极管3212。图34示出了操作模式控制设备3400，其也类似于操作模式控制设备3200，但其中用单个开关器件3410代替开关器件3210和二极管3212。控制模块3208以类似于以上关于图32讨论的方式以启用操作模式和禁用操作模式控制开关器件3410。另外，当通过输出端口3206的电流超过光伏器件3204的短路电流时，控制模块3208控制开关器件3410来模拟二极管3212，以在操作模式控制设备的短路操作模式中绕过光伏器件3204分流电流。相应地，操作模式控制设备3400有利地实现了与操作模式控制设备3200相同的功能，但是具有更少的部件并且具有与在短路操作模式中使用开关器件3410来代替二极管3212或3312相关的增强可靠性。
图35示出了用于控制操作模式控制设备的方法，该操作模式控制设备包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口。在步骤3502中，将功率从光伏器件传输到负载。在步骤3502的一个示例中，将功率从光伏器件3204传输到与操作模式设备3300的输出端口3206电耦合的负载(参见图33)。在步骤3504中，当输出端口的电流超过光伏器件的短路电流时，使用电耦合在输出端口两端的二极管来绕过光伏器件分流流过输出端口的电流。在步骤3504的一个示例中，经由晶体管3310的体二极管3312来绕过光伏器件3204分流流过输出端口3206的电流。在步骤3506中，将操作模式控制设备的操作模式从第一操作模式切换到禁用操作模式。在步骤3506的一个示例中，控制模块3208将操作模式控制设备3300的操作模式从第一操作模式切换到禁用操作模式。在步骤3508中，在禁用操作模式中，电耦合在输出端口上的晶体管在其导通状态下连续操作。在步骤3508的一个示例中，晶体管3310在其导通状态下连续操作，以禁用光伏器件3204。
图36示出了用于控制操作模式控制设备的另一方法，该操作模式控制设备包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口。在步骤3602中，将功率从光伏器件传输到负载。在步骤3602的一个示例中，将功率从光伏器件3204传输到与操作模式控制设备3400的输出端口3206电耦合的负载(参见图34)。在步骤3604中，当输出端口的电流超过光伏器件的短路电流时，使用电耦合在输出端口上的开关器件来绕过光伏器件分流流过输出端口的电流。在步骤3604的一个示例中，经由开关器件3410来绕过光伏器件3204分流流过输出端口3206的电流。在步骤3606中，将操作模式控制设备的操作模式从第一操作模式切换到禁用操作模式。在步骤3606的一个示例中，控制模块3208将操作模式控制设备3400的操作模式从第一操作模式切换到禁用操作模式。在步骤3608中，在禁用操作模式中，电耦合在输出端口上的开关器件在其导通状态下连续操作。在步骤3608的一个示例中，开关器件3410在导通状态下连续操作，以禁用光伏器件3204。
特征的组合
上面描述的特征可以以各种方式进行组合，而不脱离本发明的范围。以下示例说明了一些可能的组合：
(A1)一种用于控制开关电路的方法，其中所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括以下步骤：(1)进入限压操作模式，以及(2)在限压操作模式中：(a)使开关电路的控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，输出电压是所述输出端口两端的电压，以及(b)根据输出电流的幅值来改变所述最大电压值，所述输出电流是流过所述输出端口的电流。
(A2)如(A1)所述的方法可以进一步包括在进入限压操作模式的步骤之前使控制开关器件以最大化从光伏器件传输到负载的功率的方式在控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换。
(A3)如(A1)或(A2)所述的方法中的任一种方法还可以包括在限压操作模式中使控制开关器件在其导通状态与非导通状态之间反复切换，使得输出电压变化与输出电流变化的比值是有限值。
(A4)如(A1)或(A2)所述的方法中的任一种方法还可以包括在限压操作模式中按照输出电流的幅值的滞后函数改变最大电压值。
(A5)如(A1)至(A4)所述的方法中的任一种方法还可以包括：(1)将开关电路的操作模式从限压操作模式切换到反向电流操作模式，以及(2)在反向电流操作模式中：(a)增大最大电压值，以及(b)控制控制开关器件的切换，使得将输出电压的幅值限制为最大电压值。
(A6)如(A5)所述的方法还可以包括：响应于(a)输出电流的幅值下降到低于第一阈值、以及(b)输出电流的极性变化中的一个或多个而将开关电路的操作模式从限压操作模式切换到反向电流操作模式。
(A7)如(A5)或(A6)所述的方法中的任一种方法还可以包括在反向电流操作模式中根据输出电流的幅值的绝对值改变最大电压值。
(A8)如(A5)或(A6)所述的方法中的任一种方法还可以包括在反向电流操作模式中按照输出电流幅值的滞后函数改变最大电压值。
(A9)如(A5)或(A6)所述的方法中的任一种方法还可以包括在反向电流操作模式中允许输出电压跟踪输入端口两端的电压。
(A10)如(A1)至(A4)所述的方法中的任一种方法还可以包括：(1)进入开关电路的禁用操作模式，以及(2)在禁用操作模式中：(a)减小最大电压值，以及(b)使控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，以降低在输出端口处的来自光伏器件的可用功率。
(A11)如(A10)所述的方法还可以包括在禁用操作模式中：(1)减小指定输出电流的最大幅值的最大电流值，以及(2)使控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，以降低在输出端口处的来自光伏器件的可用功率。
(A12)如(A10)或(A11)所述的方法中的任一种方法还可以包括：(1)将开关电路的操作模式从禁用操作模式切换到反向电流操作模式；以及(2)在反向电流操作模式中：(a)增大最大电压值，以及(b)控制控制开关器件的切换，使得将输出电压的幅值限制为最大电压值。
(A13)如(A12)所述的方法还可以包括响应于(a)输出电流的幅值下降到低于第一阈值、以及(b)输出电流的极性变化中的一个或多个来将开关电路的操作模式从禁用操作模式切换到反向电流操作模式。
(A14)如(A12)至(A13)所述的方法中的任一种方法还可以包括在反向电流操作模式中根据输出电流的幅值的绝对值改变最大电压值。
(A15)如(A12)至(A13)所述的方法中的任一种方法还可以包括在反向电流操作模式中按照输出电流的幅值的滞后函数改变最大电压值。
(A16)如(A12)至(A13)所述的方法中的任一种方法还可以包括在反向电流操作模式中允许输出电压跟踪输入端口两端的电压。
(A17)如(A1)至(A4)所述的方法中的任一种方法还可以包括：(1)进入开关电路的禁用操作模式，以及(2)在禁用操作模式中：(a)使控制开关器件在其非导通状态下连续操作，以及(b)使开关电路的续流开关器件在其导通状态下连续操作，当控制开关器件在其非导通状态下操作时，续流开关器件为输出电流提供路径。
(A18)如(A1)至(A17)所述的方法中的任一种方法还可以包括：(1)在开关电路处确定输出电压已经达到第一阈值，以及(2)响应于确定步骤，进入开关电路的限压操作模式。
(B1)一种用于控制开关电路的方法，其中所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法可以包括以下步骤：(1)在开关电路的第一操作模式中，使开关电路的控制开关器件在其导通状态和非导通状态之间反复切换以将功率从光伏器件传输到负载，(2)至少部分地基于输出电流的幅值、输出电流的极性和输出电压的幅值中的一个或多个，在开关电路处确定操作模式改变是适当的，所述输出电压是所述输出端口两端的电压，并且所述输出电流是流过所述输出端口的电流，(3)响应于确定操作模式改变是适当的，将开关电路的操作模式从第一操作模式切换到第二操作模式，所述第二操作模式不同于所述第一操作模式。
(B2)在如(B1)所述的方法中，第二操作模式可以是以下中的一种：(1)限压操作模式，其中，将输出电压的幅值限制为最大电压值，(2)限流操作模式，其中，将输出电流的幅值限制为最大电流值，以及(3)反向电流操作模式，其中，允许输出电压的幅值响应于(a)输出电流的幅值下降至低于第一阈值、以及(b)输出电流的极性变化中的一个或多个而升高。
(C1)一种用于控制开关电路的方法，其中所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法可以包括以下步骤：(1)进入限流操作模式，以及2)在限流操作模式中，(a)使开关电路的控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，输出电流是流过所述输出端口的电流，以及(b)根据输出电压的幅值改变所述最大电流值，所述输出电压是所述输出端口两端的电压。
(C2)如(C1)所述的方法还可以包括在进入限流操作模式的步骤之前使控制开关器件以最大化从光伏器件传输到负载的功率的方式在控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换。
(C3)如(C1)或(C2)所述的方法中的任一种方法还可以包括在限流操作模式中按照输出电压的幅值的滞后函数改变最大电流值。
(C4)如(C1)或(C2)所述的方法中的任一种方法还可以包括在限流操作模式中暂时允许输出电流的幅值超过最大电流值。
(C5)如(C4)所述的方法还可以包括在限流操作模式中，周期性地允许输出电流的幅值超过最大电流值。
(C6)如(C1)至(C5)所述的方法中的任一种方法还可以包括(1)进入开关电路的禁用操作模式，以及(2)在禁用操作模式中：(a)减小最大电流值，以及(b)使开关电路的控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，以降低在输出端口处来自光伏器件的可用功率。
(C7)如(C6)所述的方法还可以包括在禁用操作模式中，使控制开关器件以限制输出电压的幅值的方式在控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换。
(C8)如(C1)至(C5)所述的方法中的任一种方法还可以包括：(1)进入开关电路的禁用操作模式，以及(2)在禁用操作模式中：(a)使所述控制开关器件其非导通状态下连续操作，以及(b)使所述开关电路的续流开关器件在其导通状态下连续操作，当控制开关器件在其非导通状态下操作时，续流开关器件为输出电流提供路径。
(C9)如(C1)至(C8)所述的方法中的任一种方法还可以包括：(1)在开关电路处确定输出电流已经达到第一阈值，以及(2)响应于确定步骤，进入开关电路的限流操作模式。
(D1)一种用于控制操作模式控制设备的方法，其中所述操作模式控制设备包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法可以包括以下步骤：(1)在操作模式控制设备的第一操作模式中，将功率从光伏器件传输到负载，(2)当输出电流超过光伏器件的短路电流时，使用电耦合在所述输出端口上的开关器件，绕过所述光伏器件分流流过所述输出端口的电流，所述输出电流是流过所述输出端口的电流，(3)将操作模式控制设备的操作模式从第一操作模式切换到禁用操作模式，以及(4)在禁用操作模式中，使开关器件在其导通状态下连续操作。
(E1)一种具有多种操作模式的开关电路可以包括用于电耦合到能量产生设备的输入端口和用于电耦合到负载的输出端口，电耦合在输入端口和输出端口之间的控制开关器件、以及控制模块。控制模块可以包括：(1)操作模式子模块，被配置为进入开关电路的限压操作模式；(2)开关控制子模块，被配置为控制控制开关器件的切换；以及(3)限压子模块，在限压操作模式中所述限压子模块被配置为：(a)命令所述开关控制子模块使控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换，输出电压是所述输出端口两端的电压，以及(b)根据输出电流的幅值来改变最大电压值，所述输出电流是流过所述输出端口的电流。
(E2)在如(E1)所述的开关电路中，控制模块还可以包括最大功率点跟踪子模块，其被配置为命令开关控制子模块使控制开关器件以最大化从能量产生设备传输到负载的功率的方式在控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换。
(E3)在如(E1)或(E2)所述的开关电路中的任一个中，在限压操作模式中所述限压子模块还可以被配置为命令开关控制子模块使控制开关器件在其导通状态与非导通状态之间反复切换，使得输出电压变化与输出电流变化的比值是有限值。
(E4)在如(E1)或(E2)所述的开关电路中的任一个中，在限压操作模式中所述限压子模块还可以被配置为按照输出电流的幅值的滞后函数改变最大电压值。
(E5)在如(E1)至(E4)所述的开关电路中的任一个中：(1)操作模式子模块可以进一步被配置为将开关电路的操作模式从限压操作模式切换到反向电流操作模式，以及(2)所述控制模块还可以包括反向电流子模块，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块被配置为：(a)增大最大电压值，以及(b)命令所述开关控制子模块控制所述控制开关器件的切换，使得将输出电压的幅值限制为最大电压值。
(E6)在如(E5)所述的开关电路中，所述操作模式子模块可以进一步被配置为响应于：(a)输出电流的幅值下降到低于第一阈值、以及(b)输出电流的极性变化中的一个或多个而将开关电路的操作模式从限压操作模式切换到反向电流操作模式。
(E7)在如(E5)或(E6)所述的开关电路中的任一个中，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块可以进一步被配置为根据输出电流的幅值改变最大电压值。
(E8)在如(E5)或(E6)所述的开关电路中的任一个中，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块可以进一步被配置为按照输出电流的幅值的滞后函数改变最大电压值。
(E9)在如(E5)或(E6)所述的开关电路中的任一个中，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块可以进一步被配置为使得输出电压跟踪输入端口两端的电压。
(E10)在如(E1)至(E4)所述的开关电路中的任一个中：(1)所述操作模式子模块可以被进一步配置为使所述开关电路进入禁用操作模式，以及(2)所述控制模块还可以包括禁用子模块，在禁用操作模式中所述禁用子模块被配置为：(a)减小最大电压值，以及(b)命令所述开关控制子模块使控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，以降低在输出端口处的来自光伏器件的可用功率。
(E11)在如(E10)所述的开关电路中，在禁用操作模式中所述禁用子模块还可以被配置为命令开关控制子模块使控制开关器件以限制输出电流的幅值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换。
(E12)在如(E10)或(E11)所述的开关电路中的任一个中：(1)所述操作模式子模块可以被进一步配置为将开关电路的操作模式从禁用操作模式切换到反向电流操作模式，以及所述控制模块还可以包括反向电流子模块，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块被配置为(1)增大最大电压值，以及(2)命令所述开关控制子模块控制所述控制开关器件的切换，使得将输出电压的幅值限制为最大电压值。
(E13)在如(E12)所述的开关电路中，所述操作模式子模块可以进一步被配置为响应于(1)输出电流的幅值下降到低于第一阈值、以及(2)输出电流的极性变化中的一个或多个来将开关电路的操作模式从禁用操作模式切换到反向电流操作模式。
(E14)在如(E12)或(E13)所述的开关电路中的任一个中，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块可以进一步被配置为根据输出电流的幅值改变最大电压值。
(E15)在如(E12)或(E13)所述的开关电路中的任一个中，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块可以进一步被配置为按照输出电流的幅值的滞后函数改变最大电压值。
(E16)在如(E12)或(E13)所述的开关电路中的任一个中，在反向电流操作模式中所述反向电流子模块可以进一步被配置为使得输出电压跟踪输入端口两端的电压。
(E17)在如(E1)至(E4)所述的开关电路中的任一个中：(1)所述操作模式子模块可以进一步被配置为使开关电路进入禁用操作模式，以及(2)所述控制模块还可以包括禁用子模块，在禁用操作模式中所述禁用子模块被配置为：(a)命令所述开关控制子模块使控制开关器件在其非导通状态下连续操作，以及(b)命令所述开关控制子模块使开关电路的续流开关器件在其导通状态下连续操作，当控制开关器件在其非导通状态下操作时，续流开关器件为输出电流提供路径。
(E18)在如(E1)至(E17)所述的开关电路中的任一个中，所述操作模式子模块可以进一步被配置为：(1)在开关电路处确定输出电压已经达到第一阈值，以及(2)响应于确定步骤，进入开关电路的限压操作模式。
(F1)一种具有多种操作模式的开关电路包括用于电耦合到能量产生设备的输入端口、用于电耦合到负载的输出端口、电耦合在输入端口和输出端口之间的控制开关器件、以及控制模块。所述控制模块可以包括(1)开关控制子模块，被配置为控制所述控制开关器件的切换，使得在所述开关电路的第一操作模式中，所述控制开关器件在其导通状态和非导通状态之间反复切换，以将功率从能量产生设备传输到负载、以及(2)操作模式子模块，所述操作模式子模块被配置为(a)至少部分地基于输出电流的幅值、输出电流的极性和输出电压的幅值中的一个或多个，在开关电路处确定操作模式改变是适当的，所述输出电压是所述输出端口两端的电压，并且所述输出电流是流过所述输出端口的电流，以及(b)响应于确定操作模式改变是适当的，将开关电路的操作模式从第一操作模式切换到第二操作模式，所述第二操作模式不同于所述第一操作模式。
(F2)在如(F1)所述的开关电路中，第二操作模式可以是以下中的一种：(1)限压操作模式，其中，将输出电压的幅值限制为最大电压值，(2)限流操作模式，其中，将输出电流的幅值限制为最大电流值，或(3)反向电流操作模式，其中，允许输出电压的幅值响应于(a)输出电流的幅值下降至低于第一阈值、以及以及(b)输出电流的极性变化中的一个或多个而升高。
(G1)一种具有多种操作模式的开关电路可以包括用于电耦合到能量产生设备的输入端口、用于电耦合到负载的输出端口、电耦合在输入端口和输出端口之间的控制开关器件、以及控制模块。所述控制模块包括：(1)操作模式子模块，被配置为进入所述开关电路的限流操作模式；(2)开关控制子模块，被配置为控制所述控制开关器件的切换；以及(3)限流子模块，在限流操作模式中所述限流子模块被配置为，(a)命令所述开关控制子模块使所述控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在所述控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，所述输出电流是流过所述输出端口的电流，以及(b)根据输出电压的幅值来改变所述最大电流值，所述输出电压是所述输出端口两端的电压。
(G2)在如(G1)所述的开关电路中，所述控制模块还可以包括最大功率点跟踪子模块，所述最大功率点跟踪子模块被配置为命令所述开关控制子模块使控制开关器件以最大化从能量产生设备传输到负载的功率的方式在所述控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换。
(G3)在如(G1)或(G2)所述的开关电路中的任一个中，在限流操作模式中所述限流子模块可以进一步被配置为按照输出电压的幅值的滞后函数改变最大电流值。
(G4)在如(G1)至(G3)所述的开关电路中的任一个中，在限流操作模式中所述限流子模块可以进一步被配置为暂时允许输出电流的幅值超过最大电流值。
(G5)在如(G4)所述的开关电路中，在限流操作模式中所述限流子模块可以进一步被配置为周期性地允许输出电流的幅值超过最大电流值。
(G6)在如(G1)至(G5)所述的开关电路中的任一个中：(1)所述操作模式子模块可以进一步配置为使开关电路进入禁用操作模式，以及(2)所述控制模块还可以包括禁用子模块，在禁用操作模式中所述禁用子模块被配置为：(a)减小最大电流值，以及(b)命令所述开关控制子模块使控制开关器件以将输出电流的幅值限制为最大电流值的方式在控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，以降低在输出端口处来自光伏器件的可用功率。
(G7)在如(G6)所述的开关电路中，在禁用操作模式中所述禁用子模块可以进一步被配置为命令开关控制子模块使控制开关器件以限制输出电压的幅值的方式在控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换。
(G8)在如(G1)至(G5)所述的开关电路中的任一个中：(1)所述操作模式子模块可以进一步被配置为使开关电路进入禁用操作模式，以及(2)所述控制模块还可以包括禁用子模块，在禁用操作模式中所述禁用子模块被配置为：(a)命令开关控制子模块使所述控制开关器件其非导通状态下连续操作，以及(b)命令开关控制子模块使所述开关电路的续流开关器件在其导通状态下连续操作，当控制开关器件在其非导通状态下操作时，续流开关器件为输出电流提供路径。
(G9)在如(G1)至(G8)所述的开关电路中的任一个中，所述操作模式子模块可以进一步被配置为：(1)在开关电路处确定输出电流已经达到第一阈值，以及(2)响应于确定步骤，进入开关电路的限流操作模式。
(H)一种电力系统可以包括：(1)如E1-E18、F1、F2和G1-G8所述的开关电路中的至少一个，以及(2)相应的能量产生设备，其电耦合到至少一个开关电路中的每一个开关电路的输入端口。
(H2)在如(H1)所述的电力系统中，每个能量产生设备可以是光伏器件。
(H3)在如(H1)或(H2)所述的电力系统中的任一个中，所述开关电路中的至少一个开关电路可以包括多个如E1-E18、F1、F2和G1-G8所述的开关电路，并且多个开关电路中的至少两个开关电路的输出端口可以串联电耦合。
(I1)一种操作模式控制设备可以包括：(1)用于电耦合到光伏器件的输入端口和用于电耦合到负载的输出端口、(2)电耦合在输出端口上的开关器件、以及(3)控制模块，所述控制模块被配置为：(a)使所述开关器件在其导通状态下操作，以在输出电流超过所述光伏器件的短路电流时，绕过所述光伏器件分流流过所述输出端口的电流，所述输出电流是流过所述输出端口的电流，(b)使操作模式控制设备进入禁用操作模式，以及(c)在禁用操作模式中，使开关器件在其导通状态下连续操作。

Claims (20)

1.一种用于控制开关电路的方法，其中，所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括：
进入限压操作模式；以及
在所述限压操作模式中：
使所述开关电路的控制开关器件以将输出电压的幅值限制为最大电压值的方式在所述控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，所述输出电压是所述输出端口两端的电压，以及
根据输出电流的幅值来改变所述最大电压值，所述输出电流是流过所述输出端口的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在进入所述限压操作模式的步骤之前，使所述控制开关器件以最大化从所述光伏器件传输到所述负载的功率的方式在所述控制开关器件的导通状态与非导通状态之间反复切换。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述限压操作模式中使所述控制开关器件在其导通状态与非导通状态之间反复切换，使得输出电压变化与输出电流变化的比值是有限值。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述限压操作模式中按照所述输出电流的幅值的滞后函数改变所述最大电压值。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述开关电路的操作模式从所述限压操作模式切换到反向电流操作模式；以及
在所述反向电流操作模式中：
增大所述最大电压值，以及
控制所述控制开关器件的切换，以使得将所述输出电压的幅值限制为所述最大电压值。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括响应于：(a)所述输出电流的幅值下降到低于第一阈值、以及(b)所述输出电流的极性变化中的一个或多个而将所述开关电路的操作模式从所述限压操作模式切换到所述反向电流操作模式。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括：在所述反向电流操作模式中根据所述输出电流的幅值的绝对值改变所述最大电压值。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括：在所述反向电流操作模式中按照所述输出电流幅值的滞后函数改变所述最大电压值。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括：在所述反向电流操作模式中允许所述输出电压跟踪所述输入端口两端的电压。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
进入所述开关电路的禁用操作模式；以及
在所述禁用操作模式中：
减小所述最大电压值，以及
使所述控制开关器件以将所述输出电压的幅值限制为所述最大电压值的方式在所述控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，以降低在所述输出端口处的来自所述光伏器件的可用功率。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：在所述禁用操作模式中
减小指定所述输出电流的最大幅值的最大电流值；以及
使所述控制开关器件以将所述输出电流的幅值限制为所述最大电流值的方式在所述控制开关器件的导通状态和非导通状态之间反复切换，以降低在所述输出端口处的来自所述光伏器件的可用功率。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
将所述开关电路的操作模式从所述禁用操作模式切换到反向电流操作模式；以及
在所述反向电流操作模式中：
增大所述最大电压值，以及
控制所述控制开关器件的切换，以使得将所述输出电压的幅值限制为所述最大电压值。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：响应于(a)所述输出电流的幅值下降到低于第一阈值、以及(b)所述输出电流的极性变化中的一个或多个而将所述开关电路的操作模式从所述禁用操作模式切换到所述反向电流操作模式。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：在所述反向电流操作模式中根据所述输出电流的幅值的绝对值改变所述最大电压值。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：在所述反向电流操作模式中按照所述输出电流的幅值的滞后函数改变所述最大电压值。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：在所述反向电流操作模式中允许所述输出电压跟踪所述输入端口两端的电压。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括：
进入所述开关电路的禁用操作模式；以及
在所述禁用操作模式中：
使所述控制开关器件在其非导通状态下连续操作，以及
使所述开关电路的续流开关器件在其导通状态下连续操作，当所述控制开关器件在其非导通状态下操作时，所述续流开关器件为输出电流提供路径。
18.根据权利要求1-17中的任一项所述的方法，还包括：
在所述开关电路处确定所述输出电压已经达到第一阈值；以及
响应于确定步骤，进入所述开关电路的限压操作模式。
19.一种用于控制开关电路的方法，其中，所述开关电路包括电耦合到光伏器件的输入端口和电耦合到负载的输出端口，所述方法包括：
在所述开关电路的第一操作模式中，使所述开关电路的控制开关器件在其导通状态和非导通状态之间反复切换以将功率从所述光伏器件传输到所述负载；
至少部分地基于输出电流的幅值、输出电流的极性和输出电压的幅值中的一个或多个，在所述开关电路处确定操作模式改变是适当的，所述输出电压是所述输出端口两端的电压，并且所述输出电流是流过所述输出端口的电流；以及
响应于确定所述操作模式改变是适当的，将所述开关电路的操作模式从所述第一操作模式切换到第二操作模式，所述第二操作模式不同于所述第一操作模式。
20.根据权利要求19所述的方法，所述第二操作模式是以下中的一种：
限压操作模式，其中，将所述输出电压的幅值限制为最大电压值；
限流操作模式，其中，将所述输出电流的幅值限制为最大电流值；以及
反向电流操作模式，其中，允许所述输出电压的幅值响应于(a)所述输出电流的幅值下降至低于第一阈值、以及(b)所述输出电流的极性变化中的一个或多个而升高。
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