CN109672403A - 一种四开关mppt控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种四开关MPPT控制器，包括依次连接的光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck‑Boost变换单元、电池反接保护单元，以及负载控制保护单元；电池反接保护单元与蓄电池连接，负载控制保护单元与电池反接保护单元、负载连接；光伏防反接保护单元用于防止光伏电源反接造成太阳能控制器的损坏；四开关Buck‑Boost变换单元用于实现控制器的升压和降压；电池防反接保护单元用于防止蓄电池反接造成太阳能控制器的损坏；负载控制保护单元用于防止负载过大、反接、短路造成太阳能控制器的损坏。本发明具有升降压功能，还具有功率器件电压应力低、无源元件少、输入输出同极性、共地等优点，适用于输入电压范围宽的场合。

Description

一种四开关MPPT控制器
技术领域
本发明涉及太阳能控制器技术领域，尤其涉及一种四开关MPPT控制器。
背景技术
太阳能电池作为光伏发电系统中重要的元件，主要功能是将太阳能转换为电能，供后级电池或负载使用。对于太阳能电池，其输出功率-电压特性是非线性，在一定的环境条件下，存在一个最大功率输出，称之为最大功率点(Maximun Power Point，MPP)，最大功率点跟踪(Maximun Power Point Tracking，MPPT)技术控制系统就是寻找太阳能电池的最大功率点，使太阳能电池工作在最大功率点处，来提高太阳能电池的转换效率。MPPT太阳能控制器适用于离网太阳能充电应用，它防止电池被太阳能模组过度充电和被负载过度放电。控制器采用智能跟踪算法，最大限度地提高从太阳能光伏模块获取的能量，对电池充电，同时，低电压断开功能防止电池过度放电。目前市面上的MPPT控制器和PWM控制器都是采用降压模式，即输入电压必须要高于输出电压，而当输入电压低于输出电压时，控制器无法给电池充电，而采用常规的Buck-Boost电路结构，虽然具有可升压也可降压的特性，但存在开关管电压应力过高、输入输出的电压极性相反的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种四开关MPPT控制器，解决了现有的MPPT控制器和PWM控制器都是采用降压模式，即输入电压必须要高于输出电压，而当输入电压低于输出电压时，控制器无法给电池充电，而采用常规的Buck-Boost电路结构，虽然具有可升压也可降压的特性，但存在开关管电压应力过高、输入输出的电压极性相反的问题。
本发明提供一种四开关MPPT控制器，包括光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元、负载控制保护单元；
所述光伏电源、所述光伏防反接保护单元、所述四开关Buck-Boost变换单元、所述电池反接保护单元依次连接，所述电池反接保护单元与蓄电池连接，所述负载控制保护单元与所述电池反接保护单元、负载连接；
所述光伏防反接保护单元用于防止所述光伏电源反接造成太阳能控制器的损坏；
所述四开关Buck-Boost变换单元用于实现控制器的升压和降压；
所述电池防反接保护单元用于防止所述蓄电池反接造成太阳能控制器的损坏；
所述负载控制保护单元用于防止所述负载过大、反接、短路造成太阳能控制器的损坏。
进一步地，所述四开关Buck-Boost变换单元采用四开关Buck-Boost变换器。
进一步地，所述四开关Buck-Boost变换器包括第一电容、第一开关管、第二开关管、电感、第三开关、第四开关、第二电容，所述第一电容上的电压为输入电压，所述输入电压为所述光伏电源的电压，所述第一电容、所述第一开关管、第二开关管形成串联回路，所述第三开关管、所述第四开关管、所述第二电容形成串联回路，所述第二电容上的电压为输出电压，所述第二开关管、所述电感、所述第三开关管形成串联回路。
进一步地，所述四开关Buck-Boost变换单元的工作过程包括四个工作模态：
第一工作模态：所述第一开关管、第三开关管导通，形成所述输入电压、第一开关管、电感、第三开关管至输入电压的通路，电感电压为输入电压；
第二工作模态：所述第一开关管、第四开关管导通，形成所述输入电压、第一开关管、电感、第四开关管至输出电压的通路，电感电压为输入电压与输出电压的差值；
第三工作模态：所述第二开关管、第四开关管导通，形成所述第二开关管、电感、第四开关管至输出电压的通路，电感电压为输出电压；
第四工作模态：所述第二开关管、第三开关管导通，形成所述第二开关管、电感、第三开关管的通路，电感电压为零。
进一步地，所述四开关Buck-Boost变换单元包括第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式、第五工作模式，所述第一工作模式为所述第一工作模态与所述第二工作模态的组合，所述第二工作模式为所述第二工作模态与所述第三工作模态的组合，所述第三工作模式为所述第一工作模态与所述第三工作模态的组合，所述第四工作模式为所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态的组合，所述第五工作模式为所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、第四工作模态的组合。
进一步地，所述四开关Buck-Boost变换单元通过增大或减小所述第四工作模态的时长维持电路工作频率。
进一步地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管为MOS场效应管。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种四开关MPPT控制器，包括光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元、负载控制保护单元；光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元依次连接，电池反接保护单元与蓄电池连接，负载控制保护单元与电池反接保护单元、负载连接；光伏防反接保护单元用于防止光伏电源反接造成太阳能控制器的损坏；四开关Buck-Boost变换单元用于实现控制器的升压和降压；电池防反接保护单元用于防止蓄电池反接造成太阳能控制器的损坏；负载控制保护单元用于防止负载过大、反接、短路造成太阳能控制器的损坏。本发明具有升降压功能，还具有功率器件电压应力低、无源元件少、输入输出同极性、共地等优点，适用于输入电压范围宽的场合。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种四开关MPPT控制器拓扑结构图；
图2为本发明实施例的四开关Buck-Boost变换单元电路拓扑图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种四开关MPPT控制器，如图1所示，包括光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元、负载控制保护单元；
光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元依次连接，电池反接保护单元与蓄电池连接，负载控制保护单元与电池反接保护单元、负载连接；
光伏防反接保护单元用于防止光伏电源反接造成太阳能控制器的损坏；
四开关Buck-Boost变换单元用于实现控制器的升压和降压；
电池防反接保护单元用于防止蓄电池反接造成太阳能控制器的损坏；
负载控制保护单元用于防止负载过大、反接、短路造成太阳能控制器的损坏。
在一实施例中，优选的，四开关Buck-Boost变换单元采用四开关Buck-Boost变换器。如图2所示，优选的，四开关Buck-Boost变换器包括第一电容、第一开关管、第二开关管、电感、第三开关、第四开关、第二电容，第一电容上的电压为输入电压，输入电压为光伏电源的电压，第一电容、第一开关管、第二开关管形成串联回路，第三开关管、第四开关管、第二电容形成串联回路，第二电容上的电压为输出电压，第二开关管、电感、第三开关管形成串联回路。图2中，第一电容以C1表示，第一开关管以S1表示，第二开关管以S2表示，电感以Lf表示，第三开关以S3表示，第四开关以S4表示，第二电容以C2表示，输入电压以Vin表示，输出电压以Vout表示。优选的，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管为MOS场效应管。优选的，四开关Buck-Boost变换单元的工作过程包括四个工作模态：
第一工作模态：第一开关管、第三开关管导通，形成输入电压、第一开关管、电感、第三开关管至输入电压的通路，即形成Vin→S1→Lf→S3→Vin通路，电感电压为输入电压；
第二工作模态：第一开关管、第四开关管导通，形成输入电压、第一开关管、电感、第四开关管至输出电压的通路，即形成Vin→S1→Lf→S4→Vout通路，电感电压为输入电压与输出电压的差值；
第三工作模态：第二开关管、第四开关管导通，形成第二开关管、电感、第四开关管至输出电压的通路，即形成S2→Lf→S4→Vout通路，电感电压为输出电压；
第四工作模态：第二开关管、第三开关管导通，形成第二开关管、电感、第三开关管的通路，即形成S2→Lf→S3通路，电感电压为零。
在一实施例中，上述四种工作模态可以组成不同的工作模式，优选的，四开关Buck-Boost变换单元包括第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式、第五工作模式，第一工作模式为第一工作模态与第二工作模态的组合，等效为Boost升压工作模式，四开关Buck-Boost变换单元在第一工作模态与第二工作模态之间切换，等效为同步升压模式；第二工作模式为第二工作模态与第三工作模态的组合，等效为Buck降压工作模式，四开关Buck-Boost变换单元在第二工作模态与第三工作模态之间切换，等效为同步降压模式；优选的，由于第四工作模态的电感电压为零，四开关Buck-Boost变换单元通过增大或减小第四工作模态的时长维持电路工作频率。第三工作模式为第一工作模态与第三工作模态的组合，四开关Buck-Boost变换单元在第一工作模态、第三工作模态之间加入第二工作模态，使电路工作在一个周期Boost模式和一个周期Buck模式，第四工作模式为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态的组合，在第三模态后面增加一个第四模态用来调节电路工作频率大小，第五工作模式为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态的组合，电路在第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态之间切换，等效为同步升降压模式，这种模式可以看作升压、降压两个模式组合而成，可以通过调节四种工作模态的时间来实现升压或者降压变换，不存在不同模式切换的问题。当输入电压高于输出电压时，采用同步降压模式工作；当输入电压低于输出电压时，采用同步升压工作模式，适合于宽电压输入场合。
本发明提供一种四开关MPPT控制器，包括光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元、负载控制保护单元；光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元依次连接，电池反接保护单元与蓄电池连接，负载控制保护单元与电池反接保护单元、负载连接；光伏防反接保护单元用于防止光伏电源反接造成太阳能控制器的损坏；四开关Buck-Boost变换单元用于实现控制器的升压和降压；电池防反接保护单元用于防止蓄电池反接造成太阳能控制器的损坏；负载控制保护单元用于防止负载过大、反接、短路造成太阳能控制器的损坏。本发明具有升降压功能，还具有功率器件电压应力低、无源元件少、输入输出同极性、共地等优点，适用于输入电压范围宽的场合。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四开关MPPT控制器，其特征在于：包括光伏电源、光伏防反接保护单元、四开关Buck-Boost变换单元、电池反接保护单元、负载控制保护单元；
所述光伏电源、所述光伏防反接保护单元、所述四开关Buck-Boost变换单元、所述电池反接保护单元依次连接，所述电池反接保护单元与蓄电池连接，所述负载控制保护单元与所述电池反接保护单元、负载连接；
所述光伏防反接保护单元用于防止所述光伏电源反接造成太阳能控制器的损坏；
所述四开关Buck-Boost变换单元用于实现控制器的升压和降压；
所述电池防反接保护单元用于防止所述蓄电池反接造成太阳能控制器的损坏；
所述负载控制保护单元用于防止所述负载过大、反接、短路造成太阳能控制器的损坏。
2.如权利要求1所述的一种四开关MPPT控制器，其特征在于：所述四开关Buck-Boost变换单元采用四开关Buck-Boost变换器。
3.如权利要求2所述的一种四开关MPPT控制器，其特征在于：所述四开关Buck-Boost变换器包括第一电容、第一开关管、第二开关管、电感、第三开关、第四开关、第二电容，所述第一电容上的电压为输入电压，所述输入电压为所述光伏电源的电压，所述第一电容、所述第一开关管、第二开关管形成串联回路，所述第三开关管、所述第四开关管、所述第二电容形成串联回路，所述第二电容上的电压为输出电压，所述第二开关管、所述电感、所述第三开关管形成串联回路。
4.如权利要求3所述的一种四开关MPPT控制器，其特征在于：所述四开关Buck-Boost变换单元的工作过程包括四个工作模态：
第一工作模态：所述第一开关管、第三开关管导通，形成所述输入电压、第一开关管、电感、第三开关管至输入电压的通路，电感电压为输入电压；
第二工作模态：所述第一开关管、第四开关管导通，形成所述输入电压、第一开关管、电感、第四开关管至输出电压的通路，电感电压为输入电压与输出电压的差值；
第三工作模态：所述第二开关管、第四开关管导通，形成所述第二开关管、电感、第四开关管至输出电压的通路，电感电压为输出电压；
第四工作模态：所述第二开关管、第三开关管导通，形成所述第二开关管、电感、第三开关管的通路，电感电压为零。
5.如权利要求4所述的一种四开关MPPT控制器，其特征在于：所述四开关Buck-Boost变换单元包括第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式、第五工作模式，所述第一工作模式为所述第一工作模态与所述第二工作模态的组合，所述第二工作模式为所述第二工作模态与所述第三工作模态的组合，所述第三工作模式为所述第一工作模态与所述第三工作模态的组合，所述第四工作模式为所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态的组合，所述第五工作模式为所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、第四工作模态的组合。
6.如权利要求4所述的一种四开关MPPT控制器，其特征在于：所述四开关Buck-Boost变换单元通过增大或减小所述第四工作模态的时长维持电路工作频率。
7.如权利要求6所述的一种四开关MPPT控制器，其特征在于：所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管为MOS场效应管。
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