CN114902547A - 控制装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种控制装置，所述控制装置包括：电感器(16)，所述电感器具有小电感并具有输入侧和输出侧，所述输入侧连接到输入线(18)，所述输入线在使用中连接到来自电源(12)的输出，所述输出侧连接到输出线(20)，所述输出线在使用中连接到负载(14)；以及位于电感器(16)的输入侧的开关电容器装置(22)，所述开关电容器装置(22)被设置成使得在控制装置的使用期间，所述输入线上的平均电压保持在预定水平以上。

Description

控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制装置，尤其涉及一种适用于从电源提取电能以帮助提高可用提取电能水平的控制装置。本发明特别适合于与光伏板或类似物结合使用，但是应当理解，本发明在这方面不受限制，并且可以与某些其他形式的电源一起使用。

背景技术

发电对光伏板的依赖越来越大，并且希望提高方案效率，包括这种电源或供电，例如，以在没有提高这种电源的输出的方案的情况下，可能需要依赖替代的电源时，允许提高可以从中提取的有用能量的水平，或者在例如较低的光照条件下能够继续使用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种控制装置，由此可以提高从这种电源或供电(例如，光伏板形式的电源或供电)中能够提取的电能的水平。

根据本发明的第一方面，提供一种控制装置，包括：电感器，所述电感器具有小电感并具有输入侧和输出侧，所述输入侧连接到输入线，所述输入线在使用中连接到来自电源的输出，所述输出侧连接到输出线，所述输出线在使用中连接到负载；以及开关电容器装置，所述开关电容器装置位于所述电感器的输入侧，所述开关电容器装置被设置成使得在控制装置的使用期间，所述输入线上的平均电压保持在预定水平以上。

已经发现，通过将光伏板形式的电源上的平均电压保持在预定水平以上，可以增加其功率输出。通过将输入线上的平均电压保持在预定水平以上，可以以提高面板的有用输出的方式保持电源上的电压。

开关电容器装置优选地包括：第一电容器和第二电容器；充电开关，所述充电开关可操作来控制所述第一电容器是否连接到所述输入线，从而控制所述第一电容器是否能够充电；转换开关，所述转换开关控制所述第一和第二电容器之间的连接，从而控制所述第一电容器是否能够放电，以对所述第二电容器充电；和放电开关，所述放电开关控制第二电容器是否连接到输入线，从而控制是否允许从所述第二电容器向所述输入线放电。优选地在输入线中提供第四开关，在使用中控制电感连接到电源。

在使用中，当充电和放电开关都打开，并且转换和第四开关都闭合时，第二电容器从第一电容器充电，并且电源经由电感连接到负载。所有开关的后续切换将电感器与电源断开，并将第二电容器与第一电容器隔离。在该操作阶段，当充电开关闭合时，来自电源的输出用于给第一电容器充电，第一电容器上的剩余电量以及与电源相关联的电容器上的剩余电量确保电源上的平均电压保持在预定水平或预定水平以上。当放电开关闭合时，第二电容器通过电感器放电，使能量存储在电感器中。通过在这些位置之间重复切换开关，应当理解，电源上的平均电压可以保持在所需的预定水平或所需的预定水平以上，以增强其输出。因此，提高可以从电源提取的电能水平。

第一电容器优选地比第二电容器具有更大的电容。举例来说，可以是第二电容器的电容的2-4倍，并且优选地是第二电容器的电容的大约3倍。

具有小电感的电感器优选地具有比在给定高频下操作的高频电转换电路中通常使用的最小电感更小的电感。举例来说，优选地具有小于30μH的电感，并且可以在15-25μH的范围内。

进行上述操作循环的开关频率优选在15-25kHz的范围内。

转换开关可以形成介于第一和第二电容器之间的升压电路的一部分。举例来说，升压电路可以包括优选地具有小电感的电感器、在所述第一和第二电容器之间串联连接的转换开关以及连接到升压电路的电感器和转换开关之间的一点的开关接地连接。在该实施例中，转换开关方便地采用二极管的形式。在使用中，通过重复地打开和闭合开关接地连接，升压电路可以用于将第二电容器上的电压升压或升高到高于第一电容器上的电压以及高于在图1的装置中获得的电压的水平，结果，可以获得通过电感的更大电流。在这种装置中，开关接地连接的开关频率通常会更高，优选地显著高于(例如，1.5倍或更多倍)其他开关的开关频率。

本发明还涉及一种控制方法，用于控制上述类型的控制装置，所述方法包括控制开关电容器装置的步骤，使得在第一操作模式中，其第一电容器从电源充电，其第二电容器通过电感器放电，在其第二操作模式中，所述第一电容器向所述第二电容器放电，所述控制装置在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间重复切换。

附图说明

将参考附图通过示例的方式进一步描述本发明，其中：

图1为示出根据本发明实施例的控制装置的电路图；

图2和3为示出第二电容器上的电感器电流和电压的曲线图；以及

图4为类似于图1的视图，示出对控制装置的修改。

具体实施方式

首先参考图1，示出了用于控制从电源12提取电能的控制装置10，在这种情况下，电源为光伏板的形式，以供负载14使用。虽然本文的描述涉及从光伏板提取电能，但是应当理解，本发明在这方面不受限制，并且可以与某些其他形式的电源12结合使用。

通过背景，已经发现可以从光伏面板提取的电能水平可以在面板内的反转层(inversion layer)的尺寸增加的情况下增加，因为这提高了面板的量子效率。可以通过在面板上施加电压或电势差，来实现增加反转层的尺寸，如果使用传统的最大功率点跟踪方法进行操作，该电压或电势差大于施加到面板上的平均电势差。因此，控制装置10可操作，以在其操作期间的所有时间向电源12施加更大的电压或电势差，具有大于或等于预定水平的平均水平。举例来说，根据面板的规格，可以将面板上的平均施加电压保持为至少30V。

如图1所示，控制装置10包括具有小电感的电感器16，其输入侧连接到输入线18，输出侧连接到输出线20。输入线18连接到电源12的输出，输出线20连接到负载14。

开关电容器装置22在电源12和电感器16之间连接至输入线18。开关电容器装置22包括第一电容器24和第二电容器26。第一电容器24经由充电开关28连接到输入线18，并经由转换开关30连接到第二电容器26。第二电容器26经由放电开关32连接到输入线18。如图所示，第四开关34位于输入线18中充电开关28和放电开关32与其连接的点中间的一点处。

控制装置10还包括输入和输出电容器36、38以及第一和第二升压开关40、42。

提供控制单元44，并且控制单元可操作，以控制开关28、30、32、34、40、42的操作。控制开关的方式是将开关分成由充电开关28、放电开关32和第一升压开关40组成的第一组以及由转换开关30、第四开关34和第二升压开关42组成的第二组。控制单元44被设置成控制开关，使得在第一操作模式中，第一组开关处于接通位置，第二组开关处于断开位置，并且在第二操作模式中，第二组开关处于接通位置，第一组开关处于断开位置。控制单元44在第一和第二模式之间重复循环切换，以高频率在这些操作模式之间切换，例如，在15-25kHz的范围内。

当处于第一模式时，电感器16与电源12断开，并且来自电源12的输出用于给第一电容器24充电。第二电容器26通过电感器16和第一升压开关放电，使能量存储在电感器16内。第一电容器24和输入电容器36的充电将电源12上的电压或电势差保持在预定水平或预定水平以上，以增强其操作，如上文所述。

在随后切换到第二操作模式时，第四开关34和第二升压开关42的闭合经由电感器16将电源12连接到输出14。电感器16产生反向电流，将电荷从输出电容器38转移到输入电容器36，足以保持电源12上所需的电压或电势差，以增强其操作。同时，转换开关30打开，导致第一电容器24的部分放电和第二电容器26的充电，准备返回到第一模式。通过在这些操作模式之间反复切换，应当理解，可以从电源12提取电能，同时在电源12上保持足够高的平均电压或电势差，以提高其效率，从而允许额外的电能可用于提取。

图2和图3示出在这些操作模式期间的电感器电流和对第二电容器的充电，示出了通过在这些操作模式之间重复切换，可以从电源提取电能，同时保持电源12上足够的电压或电势差，以将其操作保持在增强的水平。

第二电容器26的尺寸应当足以确保一旦其放电以给电感器16充电，足够的电量保留在第二电容器26上，从而避免装置上的负电压。为了确保能够快速有效地发生第二电容器26的充电，并且将第二电容器26充电到适当的水平，第一电容器24应当大于第二电容器，例如，是第二电容器26的电容的2-4倍，并且优选地，大约是第二电容器26的电容的3倍。类似地，输出电容器的电容应当比输入电容器大。方便地，为了最小化电路中存在的元件尺寸的数量，输入和输出电容器可以与充电和放电电容器具有相同的尺寸。举例来说，在一种装置中，电感器16可以具有大约21μH的电感，第二电容器26可以具有大约10μH的电容，第一电容器24可以具有29μH的电容。在可选的装置中，电感可以是16μH，电容可以分别是8μH和23μH。显然，这些仅仅是示例，如果需要，可以使用其他部件尺寸。

该电路优选地以15-25kHz范围内的开关速度操作。举例来说，利用上述第一组部件尺寸，可以以17kHz的开关频率操作，利用第二组部件尺寸，可以以22kHz的开关频率操作。已经发现，以这种方式，在电源上可以保持至少30V的平均电压或电势差。

如上所述，通过将电源12上的电压或电势差保持在预定水平或预定水平以上，已经发现，从中提取的能量可以平均提高例如5％左右。因此，当与传统的控制装置相比时，使用本发明体现了显著的提高。

图4示出对图1至图3的装置的修改，其中，转换开关30形成介于第一和第二电容器24、26之间的升压电路50的一部分，使得当第二电容器26从第一电容器24充电时，升压电路50可以用于将第二电容器26上的电压升压到比以其他方式获得的电压更高的水平。升压电路50包括在第一和第二电容器24、26之间与转换开关30串联连接的电感器52(在该实施例中，方便地，采用二极管30a的形式)以及连接到升压电路50的电感器52和转换开关30之间的一点的开关接地连接54。

在使用中，当第二电容器26从第一电容器24充电时，通过重复打开和闭合开关接地连接54，应当理解，升压电路50操作，以将第二电容器26上的电压升高到超过第一电容器24上的电压的水平。结果，在第二电容器26放电时，提供给电感16的电流可以增加，因此电路输出可以增加。

开关接地连接54的开关频率优选地大于其他开关的开关频率，方便地，明显更大。举例来说，可以是其他开关的开关频率的1.5倍或更多。

如果需要，通过适当监控第二电容器26上的电压，如果第二电容器26上的电压超过预定水平，则可以关闭升压功能(通过保持开关接地连接打开)。

虽然本文描述了本发明的具体实施例，但是应当理解，这些仅仅代表示例性实施例，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行许多修改或变更。

Claims (16)

1.一种控制装置，包括：电感器，所述电感器具有小电感并具有输入侧和输出侧，所述输入侧连接到输入线，所述输入线在使用中连接到来自电源的输出，所述输出侧连接到输出线，所述输出线在使用中连接到负载；以及开关电容器装置，所述开关电容器装置位于所述电感器的输入侧，所述开关电容器装置被设置成使得在控制装置的使用期间，所述输入线上的平均电压保持在预定水平以上。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开关电容器装置包括：第一电容器和第二电容器；充电开关，所述充电开关可操作来控制所述第一电容器是否连接到所述输入线，从而控制所述第一电容器是否能够充电；转换开关，所述转换开关控制所述第一和第二电容器之间的连接，从而控制所述第一电容器是否能够放电，以对所述第二电容器充电；和放电开关，所述放电开关控制第二电容器是否连接到输入线，从而控制是否允许从所述第二电容器向所述输入线放电。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括在所述输入线中提供的第四开关，在使用中控制电感连接到电源。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述第一电容器的电容比所述第二电容器的电容大。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一电容器的电容是所述第二电容器的电容的2-4倍。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一电容器的电容大约是所述第二电容器的电容的3倍。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其中，所述转换开关形成介于所述第一和第二电容器之间的升压电路的一部分。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述升压电路包括在所述第一和第二电容器之间串联连接的电感器和转换开关以及连接到所述升压电路的电感器和转换开关之间的一点的开关接地连接。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述电感器具有小电感。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述转换开关包括二极管。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的装置，其中，所述开关接地连接的开关频率高于其它开关的开关频率。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述具有小电感的电感器的电感小于在给定高频下操作的高频电转换电路中通常使用的最小电感。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电感器的电感小于30μH。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述电感器的电感在15-25μH的范围内。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置以在15-25kHz范围内的开关频率操作。

16.一种控制方法，用于控制根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，所述方法包括控制开关电容器装置的步骤，使得在第一操作模式中，其第一电容器从电源充电，其第二电容器通过电感器放电，在其第二操作模式中，所述第一电容器向所述第二电容器放电，所述控制装置在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间重复切换。

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