CN209149176U - 恒定电压跟踪电路及光伏电池系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种恒定电压跟踪电路及光伏电池系统,包括:太阳能板;获取太阳能板电压采样信号的电压采样模块;获取温度采样信号的温度采集模块;基于电压采样信号及温度采样信号调整太阳能板输出电流,实现最大功率点跟踪的跟踪控制模块;及储存太阳能板输出电能的储能电池。本实用新型增加了环境温度变量,让系统更满足实际使用环境的要求,无论是高温,常温还是低温,都能跟踪到MPPT点,精确度和适应性大大提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电路设计领域,特别是涉及一种恒定电压跟踪电路及光伏电池系统。
背景技术
随着工业的发展,越来越多的用电设备融入到人们的生活和生产中,但是这些用电设备需要消耗大量的电能,电能主要通过石油、煤炭等不可再生能源产生。随着20世纪70年代石油危机的爆发,世界各国察觉到能源开发的重要性,绿色可再生能源被越来越多应用到生活中,太阳能是其中发展最为迅速的一种新兴的可再生能源。
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,缩写为PV),简称光伏。
为了提高光伏电池的转换效率,通常都需要采用MPPT跟踪技术(Maximum PowerPoint Tracking),常见的MPPT跟踪技术有四种:①恒定电压跟踪法;②扰动观测法;③导纳增量法;④智能控制的方法。四种方法中,恒定电压跟踪法是我们采用硬件设计最容易实现的方案,成本也最低。扰动观测法、导纳增量法及智能控制法都设计到软硬件结合,算法相对复杂。
传统的恒定电压跟踪法采用开环控制,控制简单,控制易实现;系统不会出现因给定的控制电压剧烈变化而引起振荡,具有良好的稳定性。但是,传统的恒定电压跟踪法只能实现粗略的MPPT点跟踪,控制精度差;控制的适应性差,当系统外界环境,如太阳辐射强度,光伏电池板温度发生改变时系统难以进行准确的最大功率点跟踪。
因此,如何减小环境对MPPT跟踪方法的影响、提高MPPT跟踪方法的控制精度和适应性,已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本实用新型的目的在于提供一种恒定电压跟踪电路及光伏电池系统,用于解决现有技术中MPPT跟踪方法控制精度低,适应性差等问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本实用新型提供一种恒定电压跟踪电路,所述恒定电压跟踪电路至少包括:
电压采样模块、温度采集模块及跟踪控制模块;
所述电压采样模块连接于太阳能板的两端,用于对所述太阳能板两端的电压进行采样,得到电压采样信号;
所述温度采集模块连接于所述跟踪控制模块输入端,用于采集所述太阳能板的工作环境温度,得到温度采样信号;
所述跟踪控制模块连接于所述太阳能板的两端,并连接所述电压采样模块及所述温度采集模块的输出端,基于所述电压采样信号及所述温度采样信号调整所述太阳能板的输出电流,以使所述太阳能板的输出电压稳定在最大功率点。
可选地,所述电压采样模块包括至少两个采样电阻,各采样电阻串联连接,各采样电阻分压得到所述电压采样信号。
可选地,所述温度采集模块包括二极管。
可选地,所述跟踪控制模块包括基准单元、压控电流沉、压控电流源、电流转电压单元、比较单元及电流调整单元;
所述基准单元连接所述温度采集模块,基于所述温度采样信号调整基准电压信号;
所述压控电流沉连接所述电压采样模块及所述基准单元的输出端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号产生下拉电流;
所述压控电流源连接所述电压采样模块及所述基准单元的输出端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号产生上拉电流;
所述电流转电压单元连接所述压控电流沉及所述压控电流源的输出端,将所述压控电流沉及所述压控电流源的叠加电流转换为控制电压;
所述比较单元的输入端分别连接所述电流转电压单元的输出端及一设定电压,用于获取所述控制电压与所述设定电压的差值;
所述电流调整单元的输入端连接所述太阳能板的正极,控制端连接所述比较单元的输出端,基于所述比较单元的输出信号调整所述太阳能板的输出电流。
更可选地,所述压控电流沉包括第一电流源、第一电流调整管,第一电流镜及第一比较器;所述第一电流源的一端连接电源电压,另一端与所述第一电流调整管串联后连接所述第一电流镜的输入端,所述第一电流镜输出下拉电流;所述第一比较器的输入端分别连接所述电压采样信号及所述基准电压信号,所述第一比较器的输出端连接所述第一电流调整管的控制端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号的差值调整流经所述第一电流调整管的电流。
更可选地,所述压控电流源包括电流沉、第二电流调整管,第二电流镜及第二比较器;所述电流沉的一端接地,另一端与所述第二电流调整管串联后连接所述第二电流镜的输入端,所述第二电流镜输出上拉电流;所述第二比较器的输入端分别连接所述电压采样信号及所述基准电压信号,所述第二比较器的输出端连接所述第二电流调整管的控制端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号的差值调整流经所述第二电流调整管的电流。
更可选地,所述跟踪控制模块还包括第二电流源,所述第二电流源连接所述电流转电压单元,与所述压控电流沉及所述压控电流源的输出电流叠加。
为实现上述目的及其他相关目的,本实用新型提供一种光伏电池系统,所述光伏电池系统至少包括:
太阳能板,上述恒定电压跟踪电路及储能电池;
所述太阳能板将光能转换为电能;
所述恒定电压跟踪电路连接于所述太阳能板的两端,对所述太阳能板输出的电能进行最大功率点跟踪;
所述储能电池连接于所述恒定电压跟踪电路的输出端,用于储存所述太阳能板输出的电能。
可选地,所述太阳能板包括单晶硅太阳能板、多晶硅太阳能板、非晶硅太阳电板、硫化镉太阳能板、砷化镓太阳能板或铜铟硒太阳能板。
如上所述,本实用新型的恒定电压跟踪电路及光伏电池系统,具有以下有益效果:
本实用新型的恒定电压跟踪电路及光伏电池系统增加了环境温度变量,让系统更满足实际使用环境的要求,无论是高温,常温还是低温,都能跟踪到MPPT点,精确度和适应性大大提高。
附图说明
图1显示为本实用新型的光伏电池系统的结构示意图。
图2显示为本实用新型的跟踪控制模块的结构示意图。
图3显示为本实用新型的输出电压、输出功率及光伏电池的温度之间的关系示意图。
图4显示为本实用新型的光伏电池的温度与最大功率点电压之间的关系示意图。
元件标号说明
1 恒定电压跟踪电路
11 电压采样模块
12 温度采集模块
13 跟踪控制模块
131 基准单元
132 压控电流沉
132a 第一比较器
133 压控电流源
133a 第二比较器
134 电流转电压单元
135 比较单元
136 电流调整单元
2 太阳能板
3 储能电池
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1~图4。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想,遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示,本实用新型提供一种恒定电压跟踪电路1,所述恒定电压跟踪电路1包括:
电压采样模块11、温度采集模块12及跟踪控制模块13。
如图1所示,所述电压采样模块11连接于太阳能板2的两端,用于对所述太阳能板2两端的电压进行采样,得到电压采样信号FB。
具体地,所述电压采样模块11包括至少两个采样电阻,各采样电阻串联连接,各采样电阻通过分压得到所述电压采样信号FB。在本实施例中,所述电压采样模块11包括第一采样电阻R1及第二采样电阻R2,所述第一采样电阻R1的一端连接所述太阳能板2的正极,所述第一采样电阻R1的另一端连接所述第二采样电阻R2的一端,所述第二采样电阻R2的另一端连接所述太阳能板2的负极;所述第一采样电阻R1与所述第二采样电阻R2的连接节点输出所述电压采样信号FB。所述电压采样模块11的具体结构包括但不限于本实施例,任意可实现采样功能的电路结构均适用于本实用新型。
如图1所示,所述温度采集模块12连接于所述跟踪控制模块13的输入端,用于采集所述太阳能板2的工作环境温度,得到温度采样信号TS。
具体地,所述温度采集模块12的一端连接所述太阳能板2的负极,另一端连接所述跟踪控制模块13的输入端,基于PN结的正向电压具有负温度系数的特性获取环境温度信息。在本实施例中,所述温度采集模块12采用二极管实现,在实际应中,任意可实现温度检测的器件均适用于本实用新型。
如图1所示,所述跟踪控制模块13连接于所述太阳能板2的两端,并连接所述电压采样模块11及所述温度采集模块12的输出端,基于所述电压采样信号FB及所述温度采样信号TS调整所述太阳能板2的输出电流,以使所述太阳能板2的输出电压稳定在最大功率点。
具体地,如图2所示,所述跟踪控制模块13包括基准单元131、压控电流沉132、压控电流源133、电流转电压单元134、比较单元135及电流调整单元136。
更具体地,所述基准单元131连接所述温度采集模块12,基于所述温度采样信号TS调整基准电压信号。由于温度的影响,最大功率点会发生偏移,所述基准单元131根据温度与最大功率点之间的关系调整所述基准电压信号,使得所述基准电压信号设定在合适的值上,能够精确跟踪最大功率点。
更具体地,所述压控电流沉132连接所述电压采样模块11及所述基准单元131的输出端,基于所述电压采样信号FB及所述基准电压信号产生下拉电流。如图2所示,在本实施例中,所述压控电流沉132包括第一电流源S1、第一电流调整管N1,第一电流镜及第一比较器132a。所述第一电流源S1的一端连接电源电压VDD,另一端连接所述第一电流调整管N1的漏极。所述第一电流调整管N1的源极连接所述第一电流镜的输入端,所述第一电流调整管N1为NMOS管。所述第一电流镜包括两个NMOS管,其中,第一NMOS管N2的漏极作为输入端,栅极与漏极连接,源极接地;第二NMOS管N3的漏极作为输出端,栅极连接所述第一NMOS管N2的栅极,源极接地。所述第一比较器132a的正相输入端连接所述基准单元131,反相输入端连接所述电压采样信号FB,输出端连接所述第一电流调整管N1的栅极,基于所述电压采样信号FB及所述基准电压信号的差值调整流经所述第一电流调整管N1的电流,进而调整所述压控电流沉132输出的下拉电流的值。
更具体地,所述压控电流源133连接所述电压采样模块11及所述基准单元131的输出端,基于所述电压采样信号FB及所述基准电压信号产生上拉电流。如图2所示,在本实施例中,所述压控电流源133包括电流沉S2、第二电流调整管P1,第二电流镜及第二比较器133a。所述电流沉S2的一端接地,另一端连接所述第二电流调整管P1的漏极。所述第二电流调整管P1的源极连接所述第二电流镜的输入端,所述第二电流调整管P1为PMOS管。所述第二电流镜包括两个PMOS管,其中,第一PMOS管P2的漏极作为输入端,栅极与漏极连接,源极连接所述电源电压VDD;第二PMOS管P3的漏极作为输出端,栅极连接所述第一PMOS管P2的栅极,源极连接所述电源电压VDD。所述第二比较器133a的正相输入端连接所述基准单元131,反相输入端连接所述电压采样信号FB,输出端连接所述第二电流调整管P1的栅极,基于所述电压采样信号FB及所述基准电压信号的差值调整流经所述第二电流调整管P1的电流,进而调整所述压控电流源133输出的上拉电流的值。
更具体地,所述电流转电压单元134连接所述压控电流沉132及所述压控电流源133的输出端,将所述压控电流沉132及所述压控电流源133的叠加电流转换为控制电压。如图2所示,在本实施例中,所述电流转电压单元134采用电阻R3实现,在实际应用中,任意可将电流转换为电压的器件均适用于本实用新型,在此不一一赘述。
更具体地,所述比较单元135的输入端分别连接所述电流转电压单元134的输出端及一设定电压,用于获取所述控制电压与所述设定电压的差值。如图2所示,所述比较单元135的正相输入端连接所述电流转电压单元134的输出端,反相输入端连接所述设定电压,在本实施例中,所述设定电压设置为1.2V,在实际应用中,可根据需要设定所述设定电压,包括但不限于1.0V,1.3V,1.5V,1.7V,1.8V。
更具体地,所述电流调整单元136的输入端连接所述太阳能板2的正极,控制端连接所述比较单元135的输出端,基于所述比较单元135的输出信号调整所述太阳能板2的输出电流。如图2所示,所述电流调整单元136采用PMOS管P4实现,在实际应用中,任意可受控调节电流的器件均适用于本实用新型。
所述电压采样信号FB越大,所述压控电流沉132与所述压控电流源133的电流之和越小,流经所述电流调整单元136的电流越多;所述电压采样信号FB越小,所述压控电流沉132与所述压控电流源133的电流之和越大,流经所述电流调整单元136的电流越小。
需要说明的是,所述第一比较器132a、所述第二比较器133a及所述比较单元135的输入端口极性与输入信号的关系可互换,后续控制信号的极性通过反相器调整,能实现本实用新型的逻辑即可,不以本实施例为限。在本实施例中,电源电压VDD为所述太阳能板2的正极电压,地为所述太阳能板2的负极电压。
作为本实用新型的一种实现方式,所述跟踪控制模块13还包括第二电流源S3,所述第二电流源连接于所述电流转电压单元134,与所述压控电流沉132及所述压控电流源133的输出电流叠加,并作用于电阻R3上,以使得所述比较单元135的正相输入端至少存在一个电压,电压值为所述第二电流源S3的电流与所述电阻R3的电阻的乘积。
实施例二
如图1所示,本实用新型还提供一种光伏电池系统,所述光伏电池系统包括:
太阳能板2,所述恒定电压跟踪电路1及储能电池3。
如图1所示,所述太阳能板2将光能转换为电能。
具体地,所述太阳能板2通过吸收太阳光,将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能。所述太阳能板2包括但不限于单晶硅太阳能板、多晶硅太阳能板、非晶硅太阳电板、硫化镉太阳能板、砷化镓太阳能板或铜铟硒太阳能板,可根据需要设定所述太阳能板2的类型,在此不一一限定。
如图1所示,所述恒定电压跟踪电路1连接于所述太阳能板2的两端,对所述太阳能板2输出的电能进行最大功率点跟踪。
具体地,所述恒定电压跟踪电路1根据所述太阳能板2的电压采样信号及温度采样信号控制所述太阳能板2的输出电流,使得所述太阳能板2始终工作在最大功率点。所述恒定电压跟踪电路1的具体结构如实施例一所示,在此不一一赘述。
如图1所示,所述储能电池3连接于所述恒定电压跟踪电路1的输出端,用于储存所述太阳能板2输出的电能。
实施例三
本实用新型还提供一种光伏电池系统的恒定电压跟踪方法,在本实施例中,所述光伏电池系统的恒定电压跟踪方法基于实施例二所述的光伏电池系统实现,在实际应用中不限于实施例二的电路结构。
所述光伏电池系统的恒定电压跟踪方法包括:
1)采集太阳能板的工作环境温度,得到温度采样信号。
具体地,如图1所示,所述温度采集模块12对所述太阳能板2的工作环境温度进行检测,以获得温度采样信号TS。在本实施例中,基于PN结的正向电压具有负温度系数的特性获取温度信息。
2)基于所述温度采样信号产生相应的基准电压信号,所述温度采样信号越大,所述基准电压信号越小。
具体地,如图3所示,起始状态下,随着输出电压的增大输出功率逐渐增大;当输出功率达到最大值之后,随着输出电压的增大输出功率逐渐减小;而随着温度的增大(从293K、313K、333K依次上升到353K),输出电压与输出功率的曲线下移,最大功率对应的输出电压减小,最大功率的值也减小。如图4所示,直观地表示了光伏电池的温度T与最大功率点电压VMP之间的关系,可见,最大功率点电压VMP随光伏电池的温度T的增大而线性减小(在本实施例中,光伏电池的温度T为20℃(约293K)时对应的最大功率点电压VMP为0.4V;光伏电池的温度T为80℃(约353K)时对应的最大功率点电压VMP为0.22V)。如图2所示,将所述温度采样信号TS加载到所述基准单元131,基于光伏电池的温度T与最大功率点电压VMP之间的线性关系调整所述基准电压信号的值,所述温度采样信号TS越大,所述基准电压信号越小,具体调整比例可根据所述太阳能板2的具体材质进行设置,在此不一一赘述。
3)采集所述太阳能板的输出电压,将所述太阳能板的电压采样信号与所述基准电压信号比较,并基于比较结果控制所述太阳能板的输出电流,实现最大功率点跟踪,使所述太阳能板的输出电压稳定在最大功率点。
具体地,31)如图1所示,通过分压采集所述太阳能板2的输出电压,得到电压采样信号FB。
具体地,32)如图2所示,将所述电压采样信号FB与经过温度补偿的基准电压信号进行比较,并基于误差调整上拉电流及下拉电流的值,上拉电流、下拉电流及第二电流源S3电流之和基于所述电流转电压单元134转化为控制电压,所述控制电压与设定电压的差值控制所述电流调整单元136的导通及关断,进而实现对流经所述电流调整单元136的电流控制,流经所述电流调整单元136的电流即为所述太阳能板2的输出电流,所述太阳能板2的输出电流流入所述储能电池3进行存储。所述电压采样信号FB越大,所述压控电流沉132与所述压控电流源133的电流之和越小,流经所述电流调整单元136的电流越多。
更具体地,当所述电压采样信号FB高于所述基准电压信号时,增大所述太阳能板2的输出电流,所述太阳能板2的输出电压下降,形成稳定的负反馈系统,所述太阳能板2的输出电压被稳定在最大功率点;当所述电压采样信号FB低于所述基准电压信号时,减小所述太阳能板2的输出电流,所述太阳能板2的输出电压升高,形成稳定的负反馈系统,所述太阳能板2的输出电压被稳定在最大功率点。
光伏电池的最大功率跟踪的精度取决于基准电压值选择的合理性,本实用新型采用一个环境温度监控模块,采样环境温度,根据不同的温度实现对基准电压的调节,使得基准电压中引入了最大功率点与环境温度之间的关系,从而修正了传统恒定电压跟踪充电系统中在环境温度变化时带来的最大功率点偏离,使得系统在温度和光照二维变化中能更精确地跟踪到最大功率点,提高了太阳能电池的能量转换效率,同时大大提高跟踪准确性及适应性。
综上所述,本实用新型提供一种恒定电压跟踪电路及光伏电池系统,包括:获取太阳能板的电压采样信号的电压采样模块;采集太阳能板的工作环境温度,得到温度采样信号的温度采集模块;及基于电压采样信号及温度采样信号调整太阳能板的输出电流,以使太阳能板的输出电压稳定在最大功率点的跟踪控制模块。本实用新型的恒定电压跟踪电路及光伏电池系统增加了环境温度变量,让系统更满足实际使用环境的要求,无论是高温,常温还是低温,都能跟踪到MPPT点,精确度和适应性大大提高。所以,本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效,而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种恒定电压跟踪电路,其特征在于,所述恒定电压跟踪电路至少包括:
电压采样模块、温度采集模块及跟踪控制模块;
所述电压采样模块连接于太阳能板的两端,用于对所述太阳能板两端的电压进行采样,得到电压采样信号;
所述温度采集模块连接于所述跟踪控制模块的输入端,用于采集所述太阳能板的工作环境温度,得到温度采样信号;
所述跟踪控制模块连接于所述太阳能板的两端,并连接所述电压采样模块及所述温度采集模块的输出端,基于所述电压采样信号及所述温度采样信号调整所述太阳能板的输出电流,以使所述太阳能板的输出电压稳定在最大功率点。
2.根据权利要求1所述的恒定电压跟踪电路,其特征在于:所述电压采样模块包括至少两个采样电阻,各采样电阻串联连接,各采样电阻分压得到所述电压采样信号。
3.根据权利要求1所述的恒定电压跟踪电路,其特征在于:所述温度采集模块包括二极管。
4.根据权利要求1所述的恒定电压跟踪电路,其特征在于:所述跟踪控制模块包括基准单元、压控电流沉、压控电流源、电流转电压单元、比较单元及电流调整单元;
所述基准单元连接所述温度采集模块,基于所述温度采样信号调整基准电压信号;
所述压控电流沉连接所述电压采样模块及所述基准单元的输出端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号产生下拉电流;
所述压控电流源连接所述电压采样模块及所述基准单元的输出端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号产生上拉电流;
所述电流转电压单元连接所述压控电流沉及所述压控电流源的输出端,将所述压控电流沉及所述压控电流源的叠加电流转换为控制电压;
所述比较单元的输入端分别连接所述电流转电压单元的输出端及一设定电压,用于获取所述控制电压与所述设定电压的差值;
所述电流调整单元的输入端连接所述太阳能板的正极,控制端连接所述比较单元的输出端,基于所述比较单元的输出信号调整所述太阳能板的输出电流。
5.根据权利要求4所述的恒定电压跟踪电路,其特征在于:所述压控电流沉包括第一电流源、第一电流调整管,第一电流镜及第一比较器;所述第一电流源的一端连接电源电压,另一端与所述第一电流调整管串联后连接所述第一电流镜的输入端,所述第一电流镜输出下拉电流;所述第一比较器的输入端分别连接所述电压采样信号及所述基准电压信号,所述第一比较器的输出端连接所述第一电流调整管的控制端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号的差值调整流经所述第一电流调整管的电流。
6.根据权利要求4所述的恒定电压跟踪电路,其特征在于:所述压控电流源包括电流沉、第二电流调整管,第二电流镜及第二比较器;所述电流沉的一端接地,另一端与所述第二电流调整管串联后连接所述第二电流镜的输入端,所述第二电流镜输出上拉电流;所述第二比较器的输入端分别连接所述电压采样信号及所述基准电压信号,所述第二比较器的输出端连接所述第二电流调整管的控制端,基于所述电压采样信号及所述基准电压信号的差值调整流经所述第二电流调整管的电流。
7.根据权利要求4~6任意一项所述的恒定电压跟踪电路,其特征在于:所述跟踪控制模块还包括第二电流源,所述第二电流源连接所述电流转电压单元,与所述压控电流沉及所述压控电流源的输出电流叠加。
8.一种光伏电池系统,其特征在于,所述光伏电池系统至少包括:
太阳能板,如权利要求1~7任意一项所述的恒定电压跟踪电路及储能电池;
所述太阳能板将光能转换为电能;
所述恒定电压跟踪电路连接于所述太阳能板的两端,对所述太阳能板输出的电能进行最大功率点跟踪;
所述储能电池连接于所述恒定电压跟踪电路的输出端,用于储存所述太阳能板输出的电能。
9.根据权利要求8所述的光伏电池系统,其特征在于,所述太阳能板包括单晶硅太阳能板、多晶硅太阳能板、非晶硅太阳电板、硫化镉太阳能板、砷化镓太阳能板或铜铟硒太阳能板。
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CN109491446A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-19 | 上海南麟电子股份有限公司 | 恒定电压跟踪电路、光伏电池系统及其恒定电压跟踪方法 |
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