DE102008032990A1

DE102008032990A1 - Solar-Modul-System und Bypass-Bauteil

Info

Publication number: DE102008032990A1
Application number: DE102008032990A
Authority: DE
Inventors: Peter Haaf
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: DE102008032990B4; US20090014050A1

Abstract

Bei einer Ausführung ist ein Bypass-Bauteil zum Verwenden mit einer Solarzellen-Kette bereitgestellt. Jede Solarzelle erzeugt bei Licht Energie. Strom kann durch alle Solarzellen der Kette fließen, um die Energie, die durch die Solarzellen der Kette erzeugt wird, an eine Last abzugeben. Das Bypass-Bauteil stellt einen Bypass-Weg für die Solarzellen-Kette bereit, falls wenigstens eine Solarzelle der Kette eine Energie erzeugt. Das Bypass-Bauteil umfasst wenigstens zwei Transistoren, die miteinander in Reihe und mit der Solarzellen-Kette parallel geschaltet sind, wobei jeder Transistor einen Steuer- und/oder Regelungsanschluss aufweist. Eine Steuer- und/oder Regelungslogik für das Bypass-Bauteil stellt ein Steuer- und/oder Regelungssignal für den Steuer- und/oder Regelungsanschluss von jedem der wenigstens zwei Transistoren bereit. Das Steuer- und/oder Regelungssignal schaltet die wenigstens zwei Transistoren ein, so dass Strom durch die wenigstens zwei Transistoren fließt, wodurch die Solarzellen-Kette überbrückt wird, wenn wenigstens eine Solarzelle der Kette keine Energie erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solar-Modul-System und ein Bypass-Bauteil zum Verbinden mit einer Solarzellen-Kette. Insbesondere betrifft die Erfindung Solar-Modul-Systeme und Bypass-Bauteile, bei denen Überbrückungstransistoren eingesetzt werden.
Solar-Module wandeln Licht in Elektrizität um, durch die Geräte zu Hause und im Büro direkt mit Energie versorgt werden können oder die in das Stromnetz eingespeist werden kann. Eine typische Ausführung für ein Solar-Modul-System umfasst mehrere Module, von denen jedes eine Kette von in Reihe geschalteter Solarzellen aufweist. Jede Solarzelle erzeugt eine bestimmte Menge an elektrischer Energie. Durch die Zellen in das Modul fließender Strom überträgt elektrische Energie der Zellen an eine Last nach außen (z. B. Haushaltsgeräte) oder an das Stromnetz. Wenn eine der Zellen in dem Solar-Modul beschattet (d. h. bedeckt) ist, dann wird in dieser Zelle keine Elektrizität erzeugt und Strom kann nicht durch die Zelle fließen. Da die Zellen in Reihe geschaltet sind, ist es unter diesen Umständen notwendig, die beschattete Zelle zu überbrücken, so dass die elektrische Energie, die in den restlichen (nicht beschatteten) Zellen erzeugt wird, von dem Modul nach außen abgegeben werden kann.
Bei einer Ausführung der Erfindung ist ein Solar-Modul-System bereitgestellt. Das Solar-Modul-System umfasst mehrere Solarzellen, von denen jede bei Licht Energie erzeugt. Die mehreren Solarzellen sind in Ketten oder Reihen angeordnet. Jede Solarzellen-Kette oder -Reihe umfasst wenigstens zwei in Reihe geschaltete Solarzellen. Strom kann durch alle Solarzellen-Ketten fließen, um Energie, die durch die Solarzellen jeder Kette erzeugt wird, an eine Last abzugeben. Das Solar-Modul-System umfasst ebenfalls mehrere Bypass-Bauteile, wobei jeweils ein separates Bypass-Bauteil für jede Solarzellen-Kette bereitgestellt ist. Jedes Bypass-Bauteil kann einen Bypass-Weg für die jeweilige Solarzellen-Kette bereitstellen, falls wenigstens eine Solarzelle der jeweiligen Kette keine Energie erzeugt. Jedes Bypass-Bauteil umfasst wenigstens zwei Transistoren, die miteinander in Reihe und mit der jeweiligen Solarzellen-Kette parallel geschaltet sind. Jeder Transistor umfasst einen Steuer- und/oder Regelungsanschluss. Eine Steuer- und/oder Regelungslogik für jedes Bypass-Bauteil stellt ein Steuer- und/oder Regelungssignal für den Steuer- und/oder Regelungsanschluss von jedem der wenigstens zwei Transistoren bereit. Das Steuer- und/oder Regelungssignal schaltet die wenigstens zwei Transistoren ein, so dass Strom durch die wenigstens zwei Transistoren fließt, wodurch die jeweilige Solarzellen-Kette überbrückt wird, wenn wenigstens eine Solarzelle der jeweiligen Kette keine Energie erzeugt.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung ist ein Bypass-Bauteil zum Verwenden mit einer Solarzellen-Kette oder -Reihe bereitgestellt. Jede Solarzelle erzeugt bei Licht Energie. Strom kann durch alle Solarzellen der Kette fließen, um die Energie, die durch die Solarzellen der Kette erzeugt wird, an eine Last nach außen abzugeben. Das Bypass-Bauteil stellt einen Bypass-Weg für die Solarzellen-Kette bereit, falls wenigstens eine Solarzelle der Kette keine Energie erzeugt. Das Bypass-Bauteil umfasst wenigstens zwei Transistoren, die miteinander in Reihe und mit der Solarzellen-Kette parallel geschaltet sind, wobei jeder Transistor einen Steuer- und/oder Regelungsanschluss aufweist. Eine Steuer- und/oder Regelungslogik für das Bypass-Bauteil stellt ein Steuer- und/oder Regelungssignal für den Steuer- und/oder Regelungsanschluss jedes Transistors bereit. Das Steuer- und/oder Regelungssignal schaltet die wenigstens zwei Transistoren ein, so dass Strom durch die wenigstens zwei Transistoren fließt, wodurch die Solarzellen-Kette überbrückt wird, wenn wenigstens eine Solarzelle der Kette keine Energie erzeugt.
Wichtige technische Vorteile der Erfindung sind für einen Fachmann aus den folgenden Figuren, Beschreibungen und Ansprüchen ersichtlich. Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung und hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen Bezug genommen.
1 ist ein Blockschaltbild eines Solar-Modul-Systems mit Bypass-Bauteilen gemäß einer Ausführung der Erfindung.
2 ist eine beispielhafte Ausführung für ein Halbleiterpacket mit zwei Ästen für ein Bypass-Bauteil gemäß einer Ausführung der Erfindung.
3 ist eine beispielhafte Ausführung eines Steuer- und/oder Regelungsschaltkreises gemäß einer Ausführung der Erfindung.
4 ist ein beispielhaftes Wellenform-Diagramm für den Betrieb eines Bypass-Bauteils gemäß einer Ausführung der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungen der Erfindung und ihre Vorteile sind am besten durch Bezugnahme auf die 1 bis 4 der Zeichnungen zu verstehen. Gleiche Bezugszeichen werden für gleiche und übereinstimmende Teile der verschiedenen Zeichnungen verwendet.
1 ist ein Blockschaltbild von einem Solar-Modul-System 10 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Im Allgemeinen erzeugt das Solar-Modul-System 10 bei Licht Energie (z. B. Spannung) und gibt die Energie an eine Last (RLast) 12 ab, die z. B. ein Solar-Invertierer oder -Wandler sein kann. Das Solar-Modul-System 10 umfasst mehrere Solar-Module 14, die miteinander und an die Last 12 gekoppelt sind. Die hier verwendeten Begriffe „gekoppelt" oder „geschalten" oder jegliche Variante davon decken jegliche Verbindung oder Kopplung, entweder direkt oder indirekt, zwischen zwei oder mehreren Bauteilen oder Komponenten ab. Wenigstens einige Solar-Module 14 können in dem System 10 in Reihe geschaltet sein.
Jedes Solar-Modul 14 umfasst eine oder mehrere Ketten 16 von Solarzellen 18 und ein Bypass-Bauteil 20. Für jedes Solar-Modul 14 sind die Solarzellen 18 in jeder Kette 16 in Reihe geschaltet. Die Solarzellen 18 können gemäß Techniken ausgeführt sein, die von einem gewöhnlichen Fachmann verstanden werden. Wenn Solarzellen Lichtenergie ausgesetzt sind, kann jede Solarzelle 18 in einer Kette 16 Energie erzeugen. Um Energie, die in den Solarzellen 18 der Kette 16 erzeugt wurde, abzugeben, kann Strom durch die Reihe von Solarzellen 18 in der Kette fließen. Dieser Strom kann eine Größe von zum Beispiel 10 A aufweisen. Falls irgendeine Solarzelle 18 einer Kette 16 bedeckt oder beschattet ist (entweder vollständig oder teilweise), kann diese Solarzelle 18 keine Energie erzeugen. In diesem Fall kann Strom entweder nicht durch die Kette 16 fließen oder der Stromfluss ist wesentlich behindert oder unterbrochen.
Das Bypass-Bauteil 20 trägt oder stellt für jedes Solar-Modul 14 einen Bypass-Weg oder einen Stromkreis bereit, damit Strom durch das Solar-Modul 14 fließen kann, wenn eine oder mehrere der Solarzellen 18 in dem Modul 14 bedeckt oder beschattet sind (was den Stromfluss durch die jeweilige Kette 16 erschweren würde). Wie dargestellt ist, umfasst jedes Bypass-Bauteil 20 wenigstens zwei Schalter oder Transistoren 22 und eine Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24.
Die Transistoren 22 jedes Bypass-Bauteils 20 sind miteinander in Reihe geschaltet. Ferner sind die in Reihe geschalteten Transistoren 22 mit der jeweiligen Kette 16 der Solarzellen 18 in dem Solar-Modul 14 parallel geschaltet. Bei einer Ausführung kann jeder Transistor 22 als ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet sein, obwohl jegliche andere geeignete Energievorrichtung (z. B. ein IGBT, ein MOS-gated-Thyristor oder JFET) verwendet werden kann. Jeder Transistor 22 hat einen Steuer- und/oder Regelungsanschluss (z. B. Tor oder Gatter (gate)), an den ein jeweiliges Steuer- und/oder Regelungssignal zum Ein- und Ausschalten des jeweiligen Transistors 22 abgegeben wird, so dass durch den Transistor Strom fließen kann.
Jeder Transistor 22 kann eine relativ kleine Größe mit jeweiligen betriebsgemäßen Parametern oder Charakteristiken aufweisen. Ein kleiner Transistor kann zum Beispiel einen relativ kleinen Rdson (Einschaltwiderstand) aufweisen, wie zum Beispiel 2 mOhm. Jeder Transistor 22 kann ebenfalls eine Durchbruch- oder Sperrspannung mit einem bestimmten Wert aufweisen, wie zum Beispiel 20 V. Die Durchbruchspannung ist die minimale Spannung, die an dem Transistor 22 auftreten muss, bevor Strom durch den Transistor fließt, selbst wenn der Transistor nicht durch eine angemessene Spannung, die an seinem Steuer- und/oder Regelungsanschluss (z. B. Gatter) angelegt ist, eingeschaltet ist.
Da die Transistoren 22 in dem Bypass-Bauteil 20 in Reihe geschaltet sind, ist die Gesamtdurchbruchspannung an den Transistoren 22 in etwa gleich der Summe der Durchbruchspannungen der einzelnen Transistoren. Deshalb wird, wenn zum Beispiel zwei Transistoren 22 in dem Bypass-Bauteil vorhanden sind und jeder Transistor 22 eine Durchbruchspannung von 20 V aufweist, die Gesamtspannung der Transistoren 22 des Bypass-Bauteils etwa 40 V betragen.
Die Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 für jedes Bypass-Bauteil 20 stellt Steuer- und/oder Regelungssignale zum Ein- und Ausschalten der jeweiligen Transistoren 22 bereit. Die Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 kann überwachen oder Anzeichen empfangen, ob eine oder mehrere der Zellen 18 der jeweiligen Kette 16 beschattet oder bedeckt sind und deshalb weder Energie erzeugen noch Strom leiten. Bei einer Ausführung kann dies durch die Überwachung oder die Berücksichtigung des Gesamtspannungspotentials an den Transistoren 22 des Bypass-Bauteils 20 erreicht werden, das dasselbe Potential ist, wie das Gesamtspannungspotential an der jeweiligen Kette 16 von Solarzellen 18 in dem Solar-Modul 14.
Wenn das Gesamtspannungspotential an der Kette 16 von Solarzellen 18 in dem Solar-Modul 14 eine entsprechende Schwelle (die einen vorbestimmten Wert haben kann) nicht überschreitet oder nicht negativ ist, dann ist es wahrscheinlich, dass alle Solarzellen 18 in der Kette 16 Energie erzeugen und Strom leiten. In diesem Fall ist es nicht notwendig, Strom von der Kette 16 zu überbrücken. Die Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 gibt Steuer- und/oder Regelungssignale ab, die die Transistoren 22 in dem Bypass-Bauteil 20 nicht einschalten.
Falls das Gesamtspannungspotential an der Kette 16 von Solarzellen 18 in dem Solar-Modul 14 die bestimmte Schwelle (die einen vordefinierten Wert haben kann) überschreitet oder negativ ist, ist es wahrscheinlich, dass eine oder mehrer Solarzellen 18 in der Kette 16 bedeckt oder beschattet sind und deshalb keinen Strom leiten. Die Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 wird Steuer- und/oder Regelungssignale abgeben, um die Transistoren 22 einzuschalten. Dies ermöglicht es, dass Strom durch die Transistoren 22 fließt, wodurch die jeweilige Kette 16 von Solarzellen 18 überbrückt ist.
Die Verwendung von zwei oder mehreren Transistoren 22 in jedem Bypass-Bauteil 20 stellt einen technischen Vorteil gegenüber einigen bekannten Ausführungen dar, die entweder eine Diode oder einen einzelnen Transistor zur Stromüberbrückung verwendet haben.
Bei einem Dioden-Bypass-Bauteil können Spannungsverluste signifikant sein. Zum Beispiel führt eine Schottky-Diode mit einer Durchlaßspannung (Vf) von 0,5 V bei einer Stromgröße von 10 A zu einem Leistungsverlust von 5 W (d. h. Pv = 10 A·0,5 V). Ferner erzeugen die hohen Verluste eine signifikante Wärme, die durch einen Kühlkörper abgebaut werden muss. Solch ein Kühlkörper vergrößert die Größe und die Kosten für die Ausführung eines Bypass-Bauteils.
Bei einer Bypass-Ausführung mit einem einzelnen Transistor wird der Steuer- oder Treiber-Schaltkreis (drive circuit) zum Einschalten des Bypass-Transistors mit der Sperrspannung des Bypass-Transistors versorgt, der dem Spannungsabfall über der Körperdiode des einen Transistors entspricht. Der Spannungsabfall ist relativ gering (z. B. etwa 0,5 V) und kann aus sich selbst heraus im Allgemeinen keine ausreichende Gatter- Steuer- oder Treiberspannung (gate driving voltage) für den Transistor bereitstellen. Um eine adäquate Gatter-Treiberspannung zu erzeugen, ist es notwendig, eine selbstoszillierende Schaltung und einen Transformator zu verwenden. Der Transformator kann nicht in einer integrierten Schaltung (integrated circuit = IC) ausgeführt werden, sondern wird stattdessen typischerweise in einer separaten eigenständigen Vorrichtung ausgebildet. Deshalb muss die Gatter-Treiberspannung für eine Bypass-Ausführung mit einem einzelnen Transistor auf einer gedruckten Leiterplatte (printed circuit board = PCB) ausgeführt werden, die teuerer ist als eine vollständig integrierte Ausführung. Zusätzlich kann der Transistor, wenn er durch eine einfache selbstoszillierende Schaltung betrieben wird, während des Betriebs in einem linearen Modus (nicht vollständig eingeschaltet) sein, was weniger effizient ist. Ferner bringt die selbstoszillierende Schaltung zusätzliche Komplexität für die Ausführung mit sich. Ebenso hat ein größer bemessener Transistor gemäß den bekannten Ausführungen typischerweise einen höheren Rdson (z. B. 5 mOhm) als kleinere Transistoren. Der höhere Rdson des größer bemessenen Transistors ist ebenfalls weniger effizient.
Bei der Ausführung mit mehreren Transistoren (Verwendung von zwei oder mehreren Transistoren 22 im Bypass-Bauteil 20) fließt der Strom, wenn der Betrieb des Bypass-Bauteils 20 beginnt, durch die Körperdioden der Bypass-Transistoren 22. Der Spannungsabfall an zwei oder mehreren Dioden (1,0 V oder mehr) ist wenigstens zwei Mal so groß wie der Spannungsabfall von einer Bypass-Ausführung mit einem einzelnen Transistor. Durch solch einen hohen Spannungsabfall ist es verglichen mit einer Bypass-Ausführung mit einem einzelnen Transistor, die nur eine Körperdiode aufweist, viel einfacher, eine integrierte Schaltung (IC) zu betreiben, die die Gatterspannungen (gate voltages) erzeugt. Deshalb kann die Gatter-Treiberspannung in einer integrierten Schaltung (IC) erzeugt werden, weshalb verglichen mit einer Überbrückung durch einen einzelnen Transistor von bekannten Ausführungen eine kleinere weniger teuere Ausführung ermöglicht wird. Eine gedruckte Leiterplatte (PCB) wird für die Ausführung des Bypass-Bauteils 20 gemäß den Ausführungen der Erfindung nicht benötigt.
Bei einigen Ausführungen können zum Beispiel alle oder ein Teil von jedem Bypass-Bauteil 20 auf einer einzelnen oder mehreren Halbleiterplatten (gängigerweise als „Chip bezeichnet) ausgebildet werden. Jede Platte weist eine monolythische Struktur auf, die zum Beispiel aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material gebildet ist. Bei einer Ausführung ist zum Beispiel jeder Bypass-Transistor 22 auf einem separaten Chip ausgebildet und die Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 ist auf einem weiteren Chip ausgebildet.
Ferner können bei einigen Ausführungen alle oder ein Teil jedes Bypass-Bauteils 20 in einem einzelnen Halbleiterpacket enthalten oder ausgebildet sein, das eine relativ kleine Ausführungsgröße aufweist (speziell im Vergleich zu einer PCB-Ausführung). Deshalb sind z. B. Chips für die Bypass-Transistoren 22 und die Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 in einem Halbleiterpacket enthalten.
Bei einigen Ausführungen kann das einzelne Halbleiterpacket für das Bypass-Bauteil 20 zwei Leitungsanschlüsse (z. B. Äste) aufweisen. Das ermöglicht es, dass das Bypass-Bauteil 20 gemäß den Ausführungen der Erfindung einen Ersatz für eine Diodenausführung (die selbst zwei Äste aufweist) darstellt.
Falls eine höherer Gatter-Treiberspannung zum betreiben der Transistoren 22 notwendig oder gewünscht ist, kann bei einigen Ausführungen die Versorgungsspannung zum Erzeugen der höheren Steuer- oder Treiberspannung (driving voltage) intern durch eine Topologie geschaffen sein, die zum Beispiel eine invertierende oder Umkehr-Ladepumpe, eine Invertierer- oder Wandler-Schaltung, eine Aufwärts-Abwärts-Schaltung (Buck-Boost-Schaltung) oder einen CUK-Konverter aufweist. Eine Topologie mit einer Ladepumpe verwendet einen oder mehrere Kondensatoren zum Entwickeln eines hohen Spannungsniveaus aus einem niedrigen Spannungsniveau. Bei einer Ladepumpen-Topologie für das Bypass-Bauteil 20 können die Kondensatoren in das Silizium von einem oder mehreren Chips oder wenigstens in das einzelne Halbleiterpacket integriert sein. Eine Topologie mit einer Invertierer- oder Wandler-Schaltung verwendet einen Induktor oder eine Induktivität. Solch ein Induktor kann zum Beispiel mit Bonddraht ausgeführt sein, wodurch es möglich ist, dass er ebenfalls in ein einzelnes Halbleiterpacket integriert ist. Ein Hochfrequenz-DC/DC-Konverter (z. B. mit einer Frequenz größer als 10 Mhz) kann in solch einer Invertierer-Schaltungs-Topologie verwendet werden, um die notwendige Spannung an Gatter und Quelle (Gate-to-Source-Spannung) der Transistoren 22 zu kreieren. Da wenig Strombedarf und kein Dauerbetrieb vorhanden ist, ist solch ein Hochfrequenz-Konverter im Vergleich zu DC/DC-Konvertern leichter auszuführen.
Ferner kann eine hohe Versorgungsspannung helfen, die Transistoren 22 des Bypass-Bauteils 20 genauer zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere kann die Verwendung einer höheren Versorgungsspannung verhindern, dass die Transistoren 22 in einem linearen Modus arbeiten, weshalb die Leistung oder Effizienz des Bypass-Bauteils 20 gefördert oder verbessert wird. Dies stellt einen technischen Vorteil gegenüber einigen bekannten Ausführungen dar, in denen der Bypass-Transistor zumindest teilweise in einem linearen Modus arbeitet, was weniger effizient ist.
Außerdem wird bei einer Ausführung mit mehreren Transistoren (Verwendung von zwei oder mehreren Transistoren 22 in dem Bypass-Bauteil 20), wenn negativer Strom durch die Bypass-Transistoren fließt, der Spannungsabfall über zwei Körperdioden verdoppelt oder noch weiter erhöht, zum Beispiel auf mehr als 1,0 V. Diese Spannung ist ausreichend für das Betreiben von Ultraniedrigenergie(ultra low power = ULP)-Logikbauteilen, weshalb eine Ausführung an einer integrierten Schaltung (IC) ermöglicht wird. Gleichzeit sind andere IC-Prozesse verfügbar, die bei Spannungen über 1,0 V betrieben werden.
2 ist eine beispielhafte Ausführung eines Halbleiterpackets 50 mit zwei Ästen für ein Bypass-Bauteil 20 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Das Packet 50 hat einen ersten Leitungsanschluss oder einen Ast 52 und einen zweiten Leitungsanschluss oder einen Ast 54. Der erste Leitungsanschluss/der erste Ast 52 kann mit einem Ende der jeweiligen Kette 16 für das Solar-Modul 14 verbunden sein, während der zweite Leitungsanschluss/der zweite Ast des Packets 50 mit dem anderen Ende der Kette 16 verbunden sein kann.
Die Ausführung mit einem Halbleiterpacket 50 mit zwei Ästen für ein Bypass-Bauteil 20 ist möglich, weil jeder der zwei oder mehreren Transistoren 22 in dem Bypass-Bauteil 20 relativ klein sein kann, so dass er mit einem kleinen Gatter- Steuer- oder Treiber-Schaltkreis (gate driving circuit) betrieben werden kann. Solch ein kleiner Gatter-Treiber-Schaltkreis kann in einer integrierten Schaltung (IC) ausgeführt sein. Bei einigen Ausführungen ist es deshalb, da das Bypass-Bauteil 20 mit einer integrierten Schaltung (IC) betrieben werden kann, nicht notwendig, viele der Bauteile, wie einen Transformator, zu verwenden, die typischerweise zum Erzeugen der Gatter-Treiberspannungen für eine Ausführung mit einem einzelnen Transistor benötigt werden und die eine PCB-Ausführung erfordern. Deshalb kann das Packet 50 relativ klein sein. Ferner wird kein zusätzlicher (dritter) Ast zum externen Bereitstellen einer hohen Spannung für das Bypass-Bauteil 20 benötigt. Das ermöglicht es, dass das Bypass-Bauteil 20 gemäß den Ausführungen der Erfindung, einen Ersatz für eine Diodenausführung (die selbst zwei Äste aufweist) darstellt.
3 ist eine beispielhafte Ausführung von einer Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Separate Steuer- und/oder Regelungsschaltungen 24 können für jedes Bypass-Bauteil 20 in dem Solar-Modul-System 10 bereitgestellt sein. Die Steuer- und/oder Regelungsschaltung 24 stellt Steuer- und/oder Regelungssignale zum Ein- und Ausschalten der jeweiligen Transistoren 22 für das Bypass-Bauteil 20 bereit. Wie gezeigt wird, umfasst die Steuer- und Regelungsschaltung 24 bei einer Ausführung einen Steuer- oder Treiber-Schaltkreis (driver circuit) 100, einen Komparator oder Vergleicher 102, einen Kondensator 104, einen DC/DC-Konverter 106 und einen Schalter 108.
Das Spannungspotential an den Transistoren 22, welches das gleiche Spannungspotential ist, wie das Spannungspotential an der Kette 16 von Solarzellen 18, ist Vds. Falls Vds einen größeren Wert als 0 V aufweist, fließt Strom durch alle Solarzellen 18 der Kette 16. In diesem Fall ist es für das Bypass-Bauteil 20 nicht notwendig die Überbrückungstätigkeit auszuführen. Falls Vds einen Wert von etwa 0 V oder weniger aufweist, fließt der Strom dagegen nicht durch alle Zellen 18 der Kette 16. Das bedeutet, dass eine oder mehrere der Solarzellen bedeckt oder beschattet sind (oder ansonsten nicht tätig sind, um Energie zu erzeugen). In dieser Situation sollten die Transistoren 22 des Bypass-Bauteils 20 eingeschalten sein, so dass Strom durch die Transistoren fließen kann und deshalb die Solarzellen-Kette 16 des Solar-Moduls 14 überbrücken kann.
Schalter 108 ist an ein Ende der Solarzellen-Kette 16 gekoppelt. Falls Vds einen Wert von mehr als 0 V hat, ist der Schalter 108 ausgeschaltet. Wechselseitig ist, falls Vds einen Wert von etwa 0 V oder weniger hat, der Schalter 108 eingeschaltet. DC/DC-Konverter 106 wandelt eine niedrigere negative Spannung in eine höhere positive Spannung um. Der Kondensator 104 wird durch die Abgabe oder den Output des DC/DC-Konverters 106 aufgeladen. Der Schalter 108 verbindet den DC/DC-Konverter 106 mit Vds. Bei einer Ausführung, zum Beispiel falls Vds weniger als –1,0 V aufweist, kann der DC/DC-Konverter 106 diese Spannung in höhere positive Spannung konvertieren oder umwandeln und den Kondensator 104 aufladen. Der Kondensator 104 kann eine Treiberspannung für den Treiber-Schaltkreis 100 bereitstellen.
Der Komparator oder Vergleicher 102 vergleicht die Spannung an dem Kondensator 104 und gibt als Reaktion darauf Steuer- und/oder Regelungssignale ab. Der Treiber-Schaltkreis 100 spricht auf die Signale von dem Komparator 102 an. Der Treiber-Schaltkreis 100 stellt Treibersignale zum Steuern und/oder Regeln des Ein- und Ausschaltens der Transistoren 22 des Bypass-Bauteils 20 bereit. Falls Vds einen Wert von mehr als 0 V (Strom fließt durch die Kette 16 der Solarzellen 18) aufweist, wird der Treiber-Schaltkreis 100 Steuer- und/oder Regelungssignale mit Werten, die die Transistoren 22 nicht einschalten, abgeben. Wechselweise wird der Treiber-Schaltkreis, falls Vds einen Wert von etwa 0 V oder weniger (Strom fließt nicht durch alle Zellen 18 der Kette 16) aufweist, anfänglich fortfahren, Steuer- und/oder Regelungssignale mit Werten, die diese Transistoren 22 nicht einschalten, abzugeben, wenn die Spannung an dem Kondensator 104 von 0 V ansteigt.
Wenn die Spannung an dem Kondensator 104 einen bestimmten Wert erreicht (z. B. 8 V), bewirkt der Komparator 102, dass der Treiber-Schaltkreis 100 Steuer- und/oder Regelungssignale abgibt, um die Transistoren 22 einzuschalten, weshalb es ermöglicht wird, dass Strom durch die Transistoren fließt und die Solarzellen-Kette 16 überbrückt.
Wenn die Spannung an dem Kondensator 104 von 8 V auf einen anderen bestimmten Wert (z. B. 4 V) fällt, bleiben die Transistoren eingeschaltet. Der Kondensator 104 wird wegen einer Stromaufnahme von dem Treiber-Schaltkreis 100, Komparator 102 und anderen Leckströmen entladen. Danach, wenn die Spannung an dem Kondensator 104 den anderen Wert erreicht (z. B. 4 V), schaltet der Treiber-Schaltkreis 100 die Transistoren 22 aus, um die Transistoren 22 daran zu hindern, in einem linearen Modus zu arbeiten. Ein weiterer Vorteil des Abschaltens der Transistoren 22 bei einem bestimmten Niveau ist, dass der Rdson von einem MOSFET steigt, wenn seine Gatter-Spannung sich verkleinert. Ein höherer Rdson hat eine geringere Effizienz (oder höhere Verluste) zur Folge. Es ist wünschenswert die Verluste zu steuern und/oder zu regeln, insbesonders, wenn kein Kühlkörper bereitgestellt ist.
Bei einer Ausführung für diese Phase, wenn die Transistoren 22 eingeschaltet sind, kann der Spannungsabfall über die zwei Transistoren 22 relativ klein sein (z. B. 50 mV). Diese Spannung ist mit der Eingabe oder dem Input des DC/DC-Konverters 106 verbunden, der nicht bei einer solch niedrigen Spannung arbeiten kann.
Im nächsten Schritt, wenn der Treiber-Schaltkreis 100 die Transistoren 22 ausschaltet, wird die Eingabe- oder Input-Spannung des DC/DC-Konverters 106 wegen des Spannungsabfalls über zwei Dioden auf ungefähr 1,2 V ansteigen. Der DC/DC-Konverter 106 wird den Kondensator 104 wieder bis auf zum Beispiel 8 V aufladen.
Bei einer Ausführung verwendet der Treiber-Schaltkreis 100 die Spannung, die an dem Kondensator 104 gespeichert ist, zum Bereitstellen der Steuer- und/oder Regelungssignale zum Einschalten oder Betreiben der Transistoren 22. Deshalb werden keine Batterien oder zusätzliche Drähte (zum Beispiel verbunden mit irgendeiner der Solarzellen) benötigt, um das Bypass-Bauteil 20 zu mit Energie zu versorgen oder umzusetzen. Die Spannung zum Betreiben der Transistoren 22 wird so intern innerhalb des Bypass-Bauteils 20 bereitgestellt. Das ermöglicht es, dass das Bypass-Bauteil 20 kompatibel mit den existierenden Passungen für Solarzellenmodule, die für eine Bypass-Diode ausgeführt sind, ist.
4 ist ein beispielhaftes Wellenform-Diagramm 200 für den Betrieb von einem Bypass-Bauteil 20 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Diagramm 200 umfasst eine Wellenform 202 für den Spannungsabfall Vds über die Transistoren 22 in dem Bypass-Bauteil 20 und eine Wellenform 204 für die Spannung an Gatter und Quelle (Gate-to-Source-Spannung Vgs) oder Treiberspannung der Transistoren 22.
Diagramm 200 zeigt Wellenformen für das Bypass-Bauteil 20, das betrieben wird, um die Solarzellen-Kette 16 zu überbrücken, wenn eine oder mehrere Solarzellen 18 in dem jeweiligen Solarzellenmodul 14 beschattet oder bedeckt sind und so keine Energie erzeugen.
Wenn das Bypass-Bauteil 20 am Anfang beginnt, die Solarzellen-Kette 16 zu überbrücken, kann Vds für die Transistoren 22 auf einem ersten Niveau sein (z. B. –1,2 V). Die Bypass-Transistoren 22 sind eingeschaltet. Hier arbeitet der mit Vds größer als 1,0 V versorgte DC/DC-Konverter 106, um den Kondensator 104 auf eine höhere Spannung aufzuladen, z. B. von 4 V auf 9 V. Zu diesem Anfangszeitpunkt hat das Bypass-Bauteil 20 höhere Verluste.
Wenn der Kondensator 104 sich bis auf einen bestimmten Wert aufgeladen hat (welcher festgelegt sein kann), versorgt der Kondensator 104 die Einschalt-Spannung für die Bypass-Transistoren 22. Hier kann Vds für die Transistoren 22 auf einem zweiten Niveau (z. B. –50 mv) sein. Zu diesem Zeitpunkt hat das Bypass-Bauteil 20 geringere Verluste.
Deshalb ist die Treiberspannung an dem Gatter der Transistoren 22 anfangs höher (z. B. etwa 8 V), verringert sich aber mit der Zeit auf einen kleineren Wert (z. B. etwa 4 V).
Obwohl die Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben wurden, sollte verstanden sein, dass verschiedene Veränderungen, Substitutionen und Abwechslungen gemacht werden können, ohne sich von dem Sinn und dem Umfang der Erfindung, wie durch die beigelegten Ansprüche definiert, zu entfernen. Das bedeutet, dass die Diskussion in dieser Anmeldung dazu beabsichtigt ist, als eine grundsätzliche Beschreibung zu dienen. Es sollte verstanden sein, dass die spezifische Diskussion nicht alle möglichen Ausführungen explizit beschreiben kann; viele Alternativen sind implizit. Die Diskussion kann ebenfalls die generische Natur der Erfindung nicht vollständig erklären und kann nicht explizit aufzeigen, wie jedes Merkmal oder Bauteil tatsächlich repräsentativ für eine breitere Funktion oder für eine große Vielfalt von Alternativen oder äquivalenten Bauteilen sein kann. Diese seien wiederum implizit in dieser Offenbarung umfasst. An den Stellen, an denen die Erfindung in vorrichtungsorientierter Terminologie beschrieben ist, führt jedes Bauteil der Vorrichtung eine Tätigkeit aus. Weder die Beschreibung noch die Terminologie beabsichtigt den Umfang der Ansprüche zu limitieren.

10: Solar-Modul-System
12: Last oder RLast, zum Beispiel Solar-Invertierer oder -Wandler
14: Solar-Modul
16: Solarzellen-Kette
18: Solarzelle
20: Bypass-Bauteil
22: Transistor
24: Steuer- und/oder Regelungsschaltung
50: Halbleiterpacket
52: erster Leitungsanschluss oder erster Ast
54: zweiter Leitungsanschluss oder zweiter Ast
100: Steuer- oder Treiber-Schaltkreis (driver circuit)
102: Komparator oder Vergleicher
104: Kondensator
106: DV/DC-Konverter
108: Schalter
200: Wellenform-Diagramm des Betriebs des Bypass-Bauteils 20
202: Wellenform-Diagramm des Spannungsabfalls Vds an den Transistoren 22
204: Wellenform-Diagramm der Gate-to-Source-Spannung Vgs oder Treiberspannung der Transistoren 22

Claims

Solar-Modul-System (10) umfassend: mehrere Solarzellen (18), von denen jede bei Licht Energie erzeugt, wobei die mehreren Solarzellen (18) in Ketten (16) angeordnet sind, wobei jede Solarzellen-Kette (16) wenigstens zwei in Reihe geschaltete Solarzellen (18) aufweist, wobei Strom durch alle Solarzellen-Ketten (16) fließen kann, um die Energie, die durch die Solarzellen (18) jeder Kette (16) erzeugt wird, an eine Last (12) abzugeben; und mehrere Bypass-Bauteile (20), wobei ein separates Bypass-Bauteil (20) für jede Solarzellen-Kette (16) bereitgestellt ist und jedes Bypass-Bauteil (20) einen Bypass-Weg für die jeweilige Solarzellen-Kette (16) bereitstellen kann, falls wenigstens eine Solarzelle (18) der jeweiligen Kette (16) keine Energie erzeugt, wobei jedes Bypass-Bauteil (20) umfasst: wenigstens zwei Transistoren (22), die miteinander in Reihe und mit der jeweiligen Solarzellen-Kette (16) parallel geschaltet sind, wobei jeder Transistor (22) einen Steuer- und/oder Regelungsanschluss aufweist; eine Steuer- und/oder Regelungslogik (24) zum Bereitstellen eines Steuer- und/oder Regelungssignals für den Steuer- und/oder Regelungsanschluss von jedem der wenigstens zwei Transistoren (22), wobei das Steuer- und/oder Regelungssignal zum Einschalten der wenigstens zwei Transistoren (22) ausgelegt ist, so dass Strom durch die wenigstens zwei Transistoren (22) fließt, wodurch die jeweilige Solarzellen-Kette (16) überbrückt wird, sofern wenigstens eine Solarzelle (18) der jeweiligen Kette (16) keine Energie erzeugt.
Solar-Modul-System (10) nach Anspruch 1, bei dem jedes Bypass-Bauteil (20) wenigstens zwei Anschlüsse für eine Verbindung in das Solar-Modul-System (10) aufweist, wobei der erste Anschluss an ein Ende der jeweiligen Solarzellen-Kette (16) angeschlossen ist, wobei der zweite Anschluss an das andere Ende der jeweiligen Solarzellen-Kette (16) angeschlossen ist.
Solar-Modul-System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem jedes Bypass-Bauteil (20) ohne eine gedruckte Leiterplatte ausgebildet ist.
Solar-Modul-System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem jedes Bypass-Bauteil (20) in einem einzelnen Halbleiterpacket (50) enthalten ist.
Solar-Modul-System (10) nach Anspruch 4, bei dem jedes Halbleiterpacket (50) höchstens zwei Anschlüsse (52, 54) zum Verbinden in dem Solar-Modul-System (10) aufweist.
Solar-Modul-System (10) nach Anspruch 1 oder 5, bei dem jedes Bypass-Bauteil (20) ein Bauelement zum internen Bereitstellen von Energie zum Betreiben der wenigstens zwei Transistoren (22) umfasst.
Solar-Modul-System (10) nach Anspruch 1 oder 5, bei dem jedes Bypass-Bauteil (20) entweder eine Ladepumpe, eine Invertierer- oder Wandler-Schaltung, eine Aufwärts-Abwärts-Schaltung (Buck-Boost-Schaltung) oder einen CUK-Konverter zum Bereitstellen einer Hochspannung zum Betreiben der wenigstens zwei Transistoren (22) umfasst.
Solar-Modul-System (10) nach Anspruch 1 oder 5, bei dem jedes Bypass-Bauteil (20) ein Bauelement zum Bereitstellen einer Hochspannung zum Betreiben der wenigstens zwei Transistoren (22) umfasst, wobei das Bauelement einen Induktor oder eine Induktivität umfasst.
Solar-Modul-System (10) nach Anspruch 8, bei dem der Induktor mit Bonddraht ausgeführt ist.
Solar-Modul-System (10) nach einem der Ansprüche 1, 6, 7, 8 oder 9, bei dem jedes Bypass-Bauteil (20) in einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.
Solar-Modul-System (10) nach Anspruch 1 oder 10, bei dem das Steuer- und/oder Regelungssignal, das für den Steuer- und/oder Regelungsanschluss von jedem der wenigstens zwei Transistoren (22) bereitgestellt ist, jeden der wenigstens zwei Transistoren (22) daran hindert, in einem linearen Modus zu arbeiten.
Solar-Modul-System (10) nach einem der Ansprüche 1, 10 oder 11, bei dem die wenigstens eine Solarzelle (18) der jeweiligen Kette (16) keine Energie erzeugt, weil die wenigstens eine Solarzelle (18) bedeckt ist.
Bypass-Bauteil (20) zum Verwenden mit einer Solarzellen-Kette (16), wobei jede Solarzelle (18) bei Licht Energie erzeugt, wobei Strom durch alle Solarzellen (18) der Kette (16) fließen kann, um die Energie, die durch die Solarzellen (18) der Kette (16) erzeugt wird, an eine Last nach außen abzugeben, wobei das Bypass-Bauteil (20) einen Bypass-Weg für die Solarzellen-Kette (16) bereitstellen kann, falls wenigstens eine Solarzelle (18) der jeweiligen Kette (16) keine Energie erzeugt, wobei das Bypass-Bauteil (20) umfasst: wenigstens zwei Transistoren (22), die miteinander in Reihe und mit der Solarzellen-Kette (16) parallel geschaltet sind, wobei jeder Transistor (22) einen Steuer- und/oder Regelungsanschluss aufweist; und eine Steuer- und/oder Regelungslogik (24) zum Bereitstellen eines Steuer- und/oder Regelungssignals für den Steuer- und/oder Regelungsanschluss jedes der wenigstens zwei Transistoren (22), wobei das Steuer- und/oder Regelungssignal zum Einschalten der wenigstens zwei Transistoren (22) ausgelegt ist, so dass Strom durch die wenigstens zwei Transistoren (22) fließt, wodurch die Solarzellen-Kette (16) überbrückt wird, sofern wenigstens eine Solarzelle (18) der Kette (16) keine Energie erzeugt.
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 13, umfassend: einen ersten Anschluss zum Anschließen an ein Ende der Solarzellen-Kette (16); und einen zweiten Anschluss zum Anschließen an das andere Ende der Solarzellen-Kette (16).
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Bypass-Bauteil (20) ohne eine gedruckte Leiterplatte ausgebildet ist.
Bypass-Bauteil (20) nach einem der Ansprüche 13, 14 oder 15, bei dem das Bypass-Bauteil (20) in einem einzelnen Halbleiterpacket (50) enthalten ist.
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 16, bei dem das Halbleiterpacket (50) höchstens zwei externe Anschlüsse aufweist.
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 13 oder 17 mit einem Bauelement zum internen Bereitstellen von Energie zum Betreiben der wenigstens zwei Transistoren (22).
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 13 oder 17, das entweder eine Ladepumpe, eine Invertierer- oder Wandler-Schaltung, eine Aufwärts-Abwärts-Schaltung (Buck-Boost-Schaltung) oder einen CUK-Konverter zum Bereitstellen einer Hochspannung zum Betreiben der wenigstens zwei Transistoren (22) umfasst.
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 13 oder 17 mit einem Bauelement zum Bereitstellen einer Hochspannung zum Betreiben der wenigstens zwei Transistoren (22), wobei das Bauelement einen Induktor oder eine Induktivität umfasst.
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 20, bei dem der Induktor mit Bonddraht ausgeführt ist.
Bypass-Bauteil (20) nach einem der Ansprüche 13, 18, 19, 20 oder 21, bei dem das Bypass-Bauteil (20) in einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.
Bypass-Bauteil (20) nach Anspruch 13 oder 22, bei dem das Steuer- und/oder Regelungssignal, das für den Steuer- und/oder Regelungsanschluss von jedem der wenigstens zwei Transistoren (22) bereitgestellt ist, jeden der wenigstens zwei Transistoren (22) daran hindert, in einem linearen Modus zu arbeiten.
Bypass-Bauteil (20) nach einem der Ansprüche 13, 22 oder 23, bei dem die wenigstens eine Solarzelle (18) der jeweiligen Kette (16) keine Energie erzeugt, weil die wenigstens eine Solarzelle (18) bedeckt ist.