CN218829834U

CN218829834U - 一种光伏组件关断控制电路

Info

Publication number: CN218829834U
Application number: CN202223337118.2U
Authority: CN
Inventors: 曹建华; 冯成; 张俊奎; 姚武涛; 郑少杰; 柴鸿博; 杨民键
Original assignee: Shanghai Shaoneng New Energy Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Shaoneng New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-14
Filing date: 2022-12-14
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2032-12-14

Abstract

本申请涉及光伏发电和通讯技术领域，具体涉及到一种光伏组件关断控制电路。其包括电源输入、处理器、分压三极管、分压电阻和PMOS开关组；所述电源输入包括输入正极和输入负极，所述PMOS开关组设置在所述输入正极上，所述PMOS开关组的S极连接所述正极输入，所述PMOS开关组的G极通过分压电阻连接分压三极管的C极，分压三极管的B极连接所述处理器；所述分压电阻包括第一分压电阻和第二分压电阻，分压电阻的一端通过PMOS开关组的S极连接所述电源输入正极，其另一端连接所述第二分压电阻的一端，第二分压电阻的另一端连接分压三极管的C极，分压三极管的E极接地。确保关断电流回路路径时关断的是正极电源输出，有效避免在关断状态下可能出现的安全风险。

Description

一种光伏组件关断控制电路

技术领域

本申请涉及光伏发电和通讯技术领域，具体涉及到一种光伏组件关断控制电路。

背景技术

由于太阳能的可再生性及清洁性，光伏并网发电技术得以迅猛发展。目前光伏系统由多个光伏组件串联形成光伏组串，再经逆变器变换成交流电后传输至电网。而串联的光伏组件阵列形成的直流电压很高，并存在很大的安全隐患，为了提高光伏系统的安全性，要求光伏组件能够自我关断。为了满足上述要求，常规的一种组件关断控制电路是通过在光伏组件电源输入的负极采用NMOS（N）的方式控制，由于电流路径需要有回路路径，所以电流从VIN+进来，经过NMOS（N）的D极流到S极再回到电源输入的VIN-，这样整个电流形成完整的回路。控制NMOS导通或关断是通过处理器的GPIO口，放在负极控制，此类NMOS选择需满足耐压及功率要求，超出耐压与功率要求的会导致NMOS损坏，这样NMOS（N）的D极和S极电压都是零，只要G极电压大于S极电压2V以上就能NMOS就能导通，而一般处理器的GPIO出来的高电平可以达到3.3V，所以此电路可以实现控制。另外一种方式是将控制电流回路路径放在电源输入的正极进行控制，此时处理器从输入端取电，通过降压芯片转成低压给处理器供电，依然采用的是NMOS（N），电流路径是输入VIN+进来，经过NMOS（N）的D极流到S极，再从VIN-回到输入负极，形成完整的电流回路路径，由于NMOS要导通要求G极电压要大于D极电压2V以上，而光伏组件输入端电压最大是60V，导致NMOS（N）的D极电压为60V，此时G极的电压要大于62V才能导通，这种情况下由于处理器的GPIO处理器的GPIO，因此无法直接控制NMOS的G极，需要增设额外升压模块，处理器控制升压模块何时去升压并去控制NMOS（N）的G极进行导通与关断的控制。

然而，上述控制方式存在一些缺陷需要克服。首先当将控制开关设置在负极线路上时，虽然电源正负极相对之间可以关断功率输出，但是由于其正极依然会存在电能的传输，正极线路与地之间依然存在电势差。因此，当操作人员接触正极线路和地面时，正极线路和地面之间形成电流回路，存在触电风险。而将控制开关设置在正极线路上时，虽然可以有效避免正极输出断开后与大地之间的电势差，避免相应的安全风险，但是正极控制开关需要增设升压模块，通过该升压模块来控制开关的导通与断开，一方面增加了设计和生产成本，同时控制逻辑变为间接控制，整体设计变得复杂，增加了不确定性和稳定性。

实用新型内容

针对上述技术问题，本申请中提供了一种光伏组件关断控制电路，其包括电源输入、处理器、分压三极管、分压电阻和PMOS开关组；所述电源输入包括输入正极和输入负极，所述PMOS开关组设置在所述输入正极上，所述PMOS开关组的S极连接所述正极输入，所述PMOS开关组的G极通过所述分压电阻连接所述分压三极管的C极，所述分压三极管的B极连接所述处理器；所述分压电阻包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述分压电阻的一端通过所述PMOS开关组的S极连接所述电源输入正极，其另一端连接所述第二分压电阻的一端，所述第二分压电阻的另一端连接所述分压三极管的C极；所述分压三极管的E极接地。

作为一种优选的技术方案，所述光伏组件关断控制电路还包括基极分流电阻和对地稳态电阻，所述分压三极管的B极连接所述基极分流电阻和对地稳态电阻的中间，所述对地稳态电阻的另一端连接所述处理器，所述基极流电阻的另一端接地。

作为一种优选的技术方案，所述PMOS开关组为由两组PMOS开关组合得到，其包括第一PMOS开关和第二PMOS开关；所述第一PMOS开关的G极连接所述第二PMOS开关G极，所述第二PMOS开关的D极连接所述第一PMOS开关的D极；所述第二PMOS开关的S极连接所述第一PMOS开关的S极。

作为一种优选的技术方案，所述电源输入的最低输入电压V_min不低于10V，最高输入电压V_most不高于80V。

作为一种优选的技术方案，所述处理器包括供电单元，用以为所述处理器供电，所述供电单元提供的电压为3~5V。

作为一种优选的技术方案，所述第一分压电阻、第二分压电阻和最低输入电压V_min之间满足如下关系式：

V_min– [R2/(R2+R1)]* V_min＞ 2V；

其中R2表示第二分压电阻的阻值，R1表示第一分压电阻的阻值。

作为一种优选的技术方案，所述第一分压电阻、第二分压电阻和最高输入电压V_most之间满足如下关系式：

V_most– [R2/(R2+R1)]* V_most＜ 20V；

作为一种优选的技术方案，所述第一分压电阻和第二分压电阻中流过的静态电流不高于70μA，不低于7μA。

作为一种优选的技术方案，所述基极分流电阻与对地稳态电阻之间的比值不低于9：1。

作为一种优选的技术方案，所述基极分流电阻与对地稳态电阻中流过的静态电流不高于5μA。

本申请中提供的光伏组件关断控制电路与传统的控制电路相比具有如下有益效果：

本申请中通过采用设置在电源输入正极线路上的组合PMOS与分压三极管、处理器等器件组成的控制电路，确保关断电流回路路径时关断的是正极电源输出，有效避免在关断状态下正极线路与大地之间不产生电势差，从而从源头避免可能出现的安全风险。此外，本申请中巧妙的采用PMOS开关设计，而非NMOS开关，而且与之配套组合使用的分压三极管、电阻等器件都是无源器件，软件控制逻辑简单，摒弃了复杂的控制逻辑，同时极大的降低了设计成本。而且，本申请中巧妙的将两组PMOS开关组合在一起使用，极大的降低了PMOS开关的承受电流强度，大大减小了PMOS的发热程度，有效避免了开关的使用寿命可能受到的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为现有的一种常规的光伏组件负极线路关断控制电路示意图。

图2 为现有的一种常规的光伏组件正极线路关断控制电路示意图。

图3为本申请的一种光伏组件关断控制电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。

参见附图1，传统的光伏组件关断控制电路中采用负极线路控制电源功率的输出时，存在正极线路与大地之间产生电势差，在关断状态下依然存在安全隐患。而当采用如附图2所示的传统的NMOS开关正极线路控制关断时，则需要额外增设升压模块来保证开关的导通与关断，使控制电路变得复杂，极大程度的升高成本。

本申请的目的是采用设置在电源正极线路上的PMOS开关，并通过设置在PMOS的G极的NPN三极管进行分压，再配合处理器给过来的GPIO信号，进行PMOS的导通与关断控制，实现电源正极功率输出的导通与关断。

参见附图3，本申请中提供了一种光伏组件关断控制电路，其包括电源输入、处理器、分压三极管NPN、分压电阻、PMOS开关组、基极分流电阻和对地稳态电阻；所述PMOS开关组包括第一PMOS开关Q1和第二PMOS开关Q2；所述分压电阻包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2；所述电源输入包括输入正极VIN+和输入负极VIN-；所述PMOS开关组设置在所述输入正极VIN+上，所述第一PMOS开关Q1的S极连接所述正极输入VIN+，其G极连接所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的一端，第一分压电阻R1的另一端连接所述正极输入VIN+，第二分压电阻R2的另一端连接所述分压三极管NPN的C极；所述电源输入的正极输入VIN+的电压经过第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的分压之后供给所述第一PMOS开关Q1的G极；所述第二PMOS开关Q2的G极与所述第一PMOS开关Q1的G极连接，所述第二PMOS开关Q2的D极与所述第一PMOS开关Q1的D极连接；所述第二PMOS开关Q2的S极与所述第一PMOS开关Q1的S极连接；所述第一PMOS开关Q1的D极和第二PMOS开关Q2的D极均连接电源输出的正极输出VOUT+；所述分压三极管NPN的B极连接所述对地稳态电阻R3和基极分流电阻R4的一端，所述对地稳态电阻R3的另一端连接所述处理器的GPIO接口，所述基极分流电阻R4的另一端接地，所述分压三极管NPN的E极接地；所述输入负极VIN-连接负极输出VOUT-。

上述电源输入的输入电压范围为10 V ~80V，在处理器上设置由外接供电单元，为处理器持续性的提供3 V ~5V（优选3.3V）的电，保证其正常运行。根据PMOS开关的导通特性，若要其导通则需要保证其G极电压小于其S极电压2V以上（即VS-VG大于2V），若其间电压差等于或小于2V，则PMOS截至，电源的正极功率关断，停止输出。

本申请的光伏组件关断控制电路主要用于分布式光伏系统中光伏组件的功率输出与关断，其要求关断器与关断控制电路的功率损耗要小，不能影响光伏系统的正常发电。因此，本申请中所采用的PMOS开关的正向电压（即VSD电压）高于光伏组件的输入电压最大值（即最高输入电压V_most），同时为了避免光伏系统能正常运行，设置20%的余量设计，从而采用VSD电压在100V左右的PMOS开关。与此同时，光伏组件输出电流经过汇集后会比较大，最大可以达到20A左右，为了提高发电效率，要求经过PMOS开关后的输出损耗能尽量小，所以PMOS开关的导通电阻RDS要求尽可能低，本申请中采用RDS小于5mΩ的PMOS开关。此外，由于PMOS开关在导通状态下经过的电流可以导致自身产生功耗，电流越大，功耗越大，导致PMOS本体会发热。本申请中的光伏组件关断控制电路的工作环境温度要求为-40℃~85℃，在85℃下运行时，使PMOS开关发热要求不超过自身环境温度时，申请人发现采用单个PMOS开关时，其温度超过85℃的概率较大，存在较大的风险，本申请中采用2个组合PMOS开关后，能够有效的实现电流的分流，有效降低PMOS开关自身产生的功耗，避免PMOS开关因发热严重寿命受影响。

此外，参见附图3，本申请控制电路中的分压三极管NPN相当于为PMOS开关提供接地的通流路径，控制PMOS开关的G极进行分压，使得PMOS开关可以导通或关断。由于在分压三极管NPN截至（不导通）状态下其C极通过第一分压电阻R1和第二分压电阻R2连接到电源的正极输入，因此其输入电压等同于电源正极输入的正极电压，因此为了避免高压损坏分压三极管NPN，本申请中采用的分压三极管NPN的C极承受高于80V。

参见附图3，本申请中的电源正极输入电压经过第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压之后供给PMOS开关Q1的G极，因此第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的阻值直接影响分压效果，影响PMOS开关的导通与关断。为了保证PMOS开关能够正常导通，徐满足PMOS开关的S极电压大于G极电压2V以上，从而第一分压电阻R1，第二分压电阻R2的阻值和最低输入电压V_min之间满足如下关系式：V_min– [R2/(R2+R1)] * V_min＞ 2V；其中R2表示第二分压电阻的阻值，R1表示第一分压电阻的阻值。与此同时，PMOS开关的S极、G极等之间的电压差过大导致其可能会击穿，影响其使用寿命，为了满足其正常运行，其S极电压大于G极之间的电压差不高于20V，从而第一分压电阻R1，第二分压电阻R2的阻值和最高输入电压V_most之间满足如下关系式：V_most– [R2/(R2+R1)] * V_most＜ 20V；其中R2表示第二分压电阻的阻值，R1表示第一分压电阻的阻值。

此外，参见附图3，当分压三极管NPN导通后，光伏组件的输入电压通过第一分压电阻R1、第二分压电阻R2后接到地，此时一分压电阻R1、第二分压电阻R2的阻值大小决定了这回路的静态电流大小，如果其阻值小了，静态电流可能达到mA级，造成大量的功率损耗。本申请中为了减小静态电流造成的功率损耗，保证第一分压电阻R1和第二分压电阻R2中流过的静态电流在7μA ~70μA之间。为了在保证驱动PMOS开关的同时有效降低静态电流，本申请中采用100K~1M的分压电阻，例如第一分压电阻R1的阻值为270KΩ，第二分压电阻R2的阻值为1MΩ。此时，当光伏组件（即电源）输入10V电压时，经过第一分压电阻R1、第二分压电阻R2分压后PMOS开关Q1的G极电压为7.87V，其G极与S极电压差为2.13V，满足导通条件；当光伏组件输入电压达到最高值80V时，经过第一分压电阻R1、第二分压电阻R2分压后PMOS开关Q1的G极电压为63V，其G极与S极电压差为17V满足导通条件，同时又避免电压差超过20V二产生的击穿风险；而光伏组件的输入电压在10~80V之间时，经过第一分压电阻R1、第二分压电阻R2的静态电流为7.8~63μA，电流极小，不影响整个系统功耗。

此外，参见附图3，基极分流电阻R4和对地稳态电阻R3在很大程度上控制分压三极管NPN的导通与截至，因此其阻值既要保证处理器的GPIO接口输出的电平经过基极分流电阻R4和对地稳态电阻R3分压后供给分压三极管NPN的B极依然输出高电平，同时又能兼顾静态电流。本实施例中采用基极分流电阻R4为阻值为470KΩ的电阻，对地稳态电阻R3阻值为20K的电阻。此时，当处理器GPIO接口输出3.3V高电平时，供给分压三极管NPN的B极的电压为3.16V，依然满足高电平的要求，而此时，经过基极分流电阻R4和对地稳态电阻R3的静态电流为6.7μA，功耗小，不影响整个系统的正常运行。

本申请中，上述光伏组件关断控制电路的逻辑控制方法如下：当处理器的GPIO接口输出高电平时，此时分压三极管NPN的B极与E极之间PN结导通，根据分压三极管NPN的特性，其B极与E极导通时，可以使得其C极与E极也导通，所以此时分压三极管NPN的C极电压相当于其E极电压；而由于分压三极管NPN的E极连地（电压为0），因此分压三极管NPN的C极电压也就是等于0；这时相当于第二分压电阻R2也连地，正极输入电压VIN+输入后通过第一分压电阻R1与第二分压电阻R2形成分压后接地，此时第一PMOS开关（Q1）和第二PMOS开关（Q2）的G电压为[1000/(1000+270)]*VIN+=0.78VIN+，如果输入电压VIN+为10V，则PMOS开关的S极电压为10V，其G极电压为0.78VIN+=7.8V，PMOS开关的G极与S极的压差为2.2V，PMOS开关导通，输出功率；而如果正极输入电压VIN+为最大值80V时，PMOS开关的S极电压为80V，其G极电压为0.78VIN+=62.4V，PMOS开关的G极与S极的电压差为17.8V在器件承受范围内，同时PMOS开关导通，，从而满足电源输入电压在10~80V范围内的正常导通。当处理器的GPIO接口输出低电平时，此时分压三极管NPN的B极也为低电平，分压三极管NPN的B极与E极之间不能形成电流，其B极与E极内部PN结不能导通，则其C极与E极之间也无法导通；这时PMOS开关（Q1）的G极连的第二分压电阻R2相当于悬空，只能通过第一分压电阻R1连接到正极输入VIN+,相当于PMOS开关的G极与S极同电平，其间没有形成电压差，PMOS开关组相当于关断状态，电源正极输入VIN+也就无法通过PMOS开关输出功率到VOUT+。当处理器如果是刚开机或软件跑飞导致软件不受控时，处理器的GPIO接口处于高阻态，此时分压三极管NPN的B极是通过对地稳态电阻R3连地，稳定住分压三极管B极的电平为低，从而使分压三极管NPN就处于关断状态。如上分析，此时PMOS开关组也处于关断状态，实现整个回路也处于关断状态，从而有效避免了出现软件不受控时电路处于导通状态，给输出带来不稳定的风险。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的方案保护范围。即但凡依本公开技术内容教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims

1.一种光伏组件关断控制电路，其特征在于，其包括电源输入、处理器、分压三极管、分压电阻和PMOS开关组；所述电源输入包括输入正极和输入负极，所述PMOS开关组设置在所述输入正极上，所述PMOS开关组的S极连接所述正极输入，所述PMOS开关组的G极通过所述分压电阻连接所述分压三极管的C极，所述分压三极管的B极连接所述处理器；所述分压电阻包括第一分压电阻R和第二分压电阻，所述分压电阻的一端通过所述PMOS开关组的S极连接所述电源输入正极，其另一端连接所述第二分压电阻的一端，所述第二分压电阻的另一端连接所述分压三极管的C极；所述分压三极管的E极接地。

2.根据权利要求1所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述光伏组件关断控制电路还包括基极分流电阻和对地稳态电阻，所述分压三极管的B极连接所述基极分流电阻和对地稳态电阻的中间，所述对地稳态电阻的另一端连接所述处理器，所述基极分流电阻的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述PMOS开关组为由两组PMOS开关组合得到，其包括第一PMOS开关和第二PMOS开关；所述第一PMOS开关的G极连接所述第二PMOS开关G极，所述第二PMOS开关的D极连接所述第一PMOS开关的D极；所述第二PMOS开关的S极连接所述第一PMOS开关的S极。

4.根据权利要求1~3任一项所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述电源输入的最低输入电压V_min不低于10V，最高输入电压V_most不高于80V。

5.根据权利要求4所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述处理器包括供电单元，用以为所述处理器供电，所述供电单元提供的电压为3~5V。

6.根据权利要求4所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述第一分压电阻、第二分压电阻和最低输入电压V_min之间满足如下关系式：

V_min– [R2/(R2+R1)] * V_min＞ 2V；

7.根据权利要求4所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述第一分压电阻、第二分压电阻和最高输入电压V_most之间满足如下关系式：

V_most– [R2/(R2+R1)] * V_most＜ 20V；

8.根据权利要求6或7所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述第一分压电阻和第二分压电阻中流过的静态电流不高于70μA，不低于7μA。

9.根据权利要求2所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述基极分流电阻与对地稳态电阻之间的比值不低于9：1。

10.根据权利要求9所述的光伏组件关断控制电路，其特征在于，所述基极分流电阻与对地稳态电阻中流过的静态电流不高于5μA。