TWI445281B - 單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路及系統 - Google Patents

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TWI445281B TW098124012A TW98124012A TWI445281B TW I445281 B TWI445281 B TW I445281B TW 098124012 A TW098124012 A TW 098124012A TW 98124012 A TW98124012 A TW 98124012A TW I445281 B TWI445281 B TW I445281B
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Description

單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路及系統
本發明是有關於一種獨立型太陽能發電系統，且特別是有關於一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路及系統。
獨立型太陽能發電系統之典型應用，如照明系統之電力供給，通常係使用如電池之儲能單元，來儲存白天太陽能發電單元所產生之電力，以便到了晚上可以將白天所儲存的電力供給至如照明設備等之負載單元。因此，典型之太陽能發電系統，通常包括充電轉換器及放電轉換器等兩級之轉換器電路。
如圖1及2所示，分別是使用Buck轉換器(Buck Converter)11與同步整流Buck轉換器21作為充電轉換器電路、以及使用Boost轉換器12與同步整流Boost轉換器22作為放電轉換器電路之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統圖。由圖中可知，習知之兩級式電路架構，需要較多的開關及被動元件，以致電路的體積、重量及大小等均無法減少，且因其開關的驅動電路複雜，造成電路的穩定性受影響，同時也增加了電路的製造成本。
有鑑於此，本發明之目的是提供一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路及系統，其可藉由將習知之兩級式獨立型太陽能發電系統的電路架構予以簡化，使由兩級式電路簡化為單級式，而能大幅度地減少兩級式電路之元件的使用數目、體積及重量，以降低電路的製作成本。
為達上述及其他目的，本發明提供一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路及系統，單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統，係應用一單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路，以將太陽能發電單元所產生之電力儲存並供給至負載單元，而單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路則包括：儲能單元、充電轉換器電路及放電轉換器電路。其中，充電轉換器電路係用以將太陽能發電單元所產生之電力儲存於儲能單元中，放電轉換器電路則用以將儲能單元中所儲存之電力供給至負載單元，且構成充電轉換器電路與放電轉換器電路之元件，至少有一部份係為共用。
在一實施例中，單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路之充電轉換器電路與放電轉換器電路，乃係由共用元件之同步整流Buck-boost轉換器所構成。
在一實施例中，單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路之充電轉換器電路與放電轉換器電路，乃係由共用元件之同步整流Zeta轉換器與同步整流Sepic轉換器所構成。
在一實施例中，單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路之充電轉換器電路與放電轉換器電路，乃係由共用元件之同步整流Buck轉換器與同步整流Boost轉換器所構成。
在一實施例中，單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路之儲能單元係為電池。
在一實施例中，單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統之負載單元包括負載及串聯負載之開關。
綜上所述可知，本發明所提供之一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路及系統，由於可將習知之兩級式獨立型太陽能發電系統的電路架構予以簡化，使由兩級式電路簡化為單級式，因而能大幅度地減少兩級式電路之元件的使用數目、體積及重量，以降低電路的製作成本。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特以較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參考圖3所示，其為習知之一種兩級式獨立型太陽能發電系統的方塊示意圖。如圖所示，獨立型太陽能發電系統之應用，通常是在白天接收如太陽能光電板31之太陽能發電單元所產生的電力，並將此電力經充電轉換器電路32而儲存於如電池33之儲能單元中，以便在夜晚或陰天時，可以將儲存於電池33中之電力，藉由放電轉換器電路34來供給至負載單元35。
其中，充電轉換器電路32與放電轉換器電路34架構的選擇，係根據太陽能光電板31輸出之電壓VPV 、電池33之電壓VB 及負載單元35的需求電壓V。等之電壓昇降關係來決定。一般而言，可藉由選用如圖4A至4F所示之Buck、Boost、Buck-boost、Cuk、Zeta、Sepic等6種基本非隔離轉換器，來達到昇壓或降壓的功能。在這些轉換器中，根據太陽能光電板31輸出之電壓VPV 、電池33電壓VB 及負載單元35的需求電壓V。等不同電壓條件，而能夠選用之電路架構組合如下表一所示：
圖4A至4F所示之Buck、Boost、Buck-boost、Cuk、Zeta、Sepic等6種基本非隔離轉換器中，可再進一步地將其電路分成輸入單元(Input Portion)41A、41B、41C、41D、41E、41F、能量緩衝單元(Energy Buffer Portion)42C、42D、42E、42F與輸出單元(Output Portion)43A、43B、43C、43D、43E、43F。其中，當轉換器之輸入單元41A、41B、41C、41D、41E或41F係由電壓源串連一組開關時，即可歸類為電壓型之輸入單元，而若由電流源並聯一組開關時，則可歸類為電流型之輸入單元，其電路示意圖分別如圖5A及5B所示。
在轉換器之能量緩衝單元42C、42D、42E或42F中，主要是藉由電感或電容來充當緩衝器。由於電感可以阻隔直流電流，而電容可以阻隔直流電壓，因此，即可將電感歸類為電流型的緩衝元件，電容歸類為電壓型的緩衝元件，其示意圖分別如圖6A及6B所示。此外，當轉換器之輸出單元43A、43B、43C、43D、43E或43F係由電容與負載電阻形成並聯型式時，即可將其電路架構歸類為電壓型輸出單元，而若是由電容與負載電阻並聯後、再與電感串聯時，則可將其歸類為電流型輸出單元，其示意圖分別如圖7A及7B所示。
如將圖4A至4F所示之Buck、Boost、Buck-boost、Cuk、Zeta、Sepic等6種基本非隔離轉換器，根據前述之電壓及電流型的區分條件、以及圖5A、5B、6A、6B、7A及7B之示意圖簡化歸類時，即得如圖8A至8F所示之等效電路示意圖。
例如，圖4A之Buck轉換器，由於其輸入單元41A係為電壓源Vs 串連一組開關M1 ，因此，即可將其歸類為電壓型之輸入單元。此外，由於Buck轉換器無中間的能量緩衝單元，且輸出單元43A係為電容C0 並聯負載電阻R0 再與電感L0 串聯，而可歸類為電流型輸出單元，因此，圖4A之Buck轉換器即可如圖8A所示地歸類為電壓型輸入與電流型輸出之轉換器。
圖4B之Boost轉換器，其電路也無能量緩衝單元，而只有輸入單元41B及輸出單元43B，且因Boost轉換器的輸入單元41B，係由電壓源VS 串聯電感LS 再並聯一組開關M1 ，亦即，可視為係由電流源並聯一組開關之狀態，因此可將其歸類為電流型之輸入單元。其輸出單元43B則只有電容CO 並聯負載電阻RO ，因而即可將其歸類為電壓型之輸出單元43B。於是，圖4B之Boost轉換器即如圖8B所示地歸類為電流型輸入與電壓型輸出之轉換器。
依此類推可知，圖4C之Buck-boost轉換器，係如圖8C所示地歸類為電壓型輸入與電壓型輸出之轉換器，圖4D之Cuk轉換器，係如圖8D所示地歸類為電流型輸入與電流型輸出之轉換器，圖4E之Zeta轉換器，係如圖8E所示地歸類為電壓型輸入與電流型輸出之轉換器，圖4F之Sepic轉換器，係如圖8F所示地歸類為電流型輸入與電壓型輸出之轉換器。
根據前述之歸類結果，表一可選用電路架構中具有對應輸入、輸出型式之組合，即有被化簡為單級電路之可能。其化簡原則，首先係將選用之轉換器改以同步整流電路來取代，亦即，將轉換器電路中之被動元件的二極體改為開關，且此一開關係與轉換器中的主開關操作在互補模式。此外，因為獨立型太陽能發電系統之充電轉換器電路與放電轉換器電路是操作在互補模式下，故簡化後之單級電路中，也必須額外地加入一組與負載串聯之低速或高速的切換開關。
其次，根據選用之轉換器的輸入、輸出的歸類與對應關係，即可將兩級電路簡化為單級。例如圖9中，當選用之前級充電轉換器電路為圖4A之Buck轉換器，且選用之後級放電轉換器電路為圖4B之Boost轉換器時，由於Buck轉換器之輸出單元43A為電流型、而Boost轉換器之輸入單元41B亦為電流型，因此，即可將前、後兩級的電流型元件及開關共用，達到電路簡化的目的。
又如圖10中，當選用之前級充電轉換器電路為圖4B之Boost轉換器，且選用之後級放電轉換器電路為圖4E之Zeta轉換器時，也將因為Boost轉換器之輸出單元43B為電壓型、Zeta轉換器之輸入單元41E亦為電壓型，而可以將前、後兩級的電壓型元件及開關共用，達到電路簡化的目的。
依前述之簡化原則，表一中可選用之電路架構組合，即可依輸入、輸出的對應關係而重新整理如下表二至表五所列之簡化組合關係表：
表二至表五中，係依圖8A至8F所示之等效電路的輸入輸出對應關係，而使用△、○及◎符號來分別表示不適合電路架構簡化之組合、適合電路架構簡化之組合及最適合電路架構簡化之組合。
例如，表二之Buck與Buck電路組合，由於前後級之輸入-輸出關係皆為電流-電壓型式，因此，無論是前級的輸入與後級的輸出或前級的輸出與後級的輸入等均無法對應，而為不適合電路架構簡化之組合；Buck-boost與Buck電路組合，因Buck-boost電路之輸入-輸出關係為電壓-電壓型式，而Buck電路之輸入-輸出關係則為電壓-電流型式，故可以將彼此相接的電壓型電路元件共用，且因Buck-boost電路之輸入為電壓型，而Buck電路之輸出為電流型，所以此部分無法完全簡化；另如Buck-boost及Buck-boost的電路組合，因前後級輸入-輸出關係皆為電壓-電壓型式，故可以將兩電路化簡為最簡之型式。以下將分別以Buck-boost與Buck-boost的電路組合、Zeta與Sepic的電路組合為例，來說明將兩級式獨立型太陽能發電系統的電路架構予以簡化之成果。
請參考圖11A至圖11C所示，圖11A係顯示選用Buck-boost轉換器來分別作為充電轉換器電路與放電轉換器電路之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統。依前述之化簡原則，首先將圖11A之Buck-boost轉換器改以同步整流之Buck-boost轉換器來取代，亦即，將電路中之被動元件的二極體1113、1116改為開關1123、1126，然後將開關1114與1126之位置稍做調整如圖11B所示。
圖11B中，由於調整後之充電轉換器電路與放電轉換器電路之元件已成左右對稱之狀態，因此，即可以電池1119為軸來將充電轉換器電路與放電轉換器電路對折，使開關1114、1126、電感1115分別與開關1123、1111、電感1112重疊而共用。另外，為了能夠將化簡後之單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統正常操作於充電模式或放電模式，乃於簡化後之負載電阻1118與電容1117連接點插入一低速或高速開關1131，來控制其操作模式，完成化簡之單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統如圖11C所示。
請參考圖12A至圖12C所示，圖12A係顯示選用Zeta轉換器作為充電轉換器電路、且選用Sepic轉換器作為放電轉換器電路之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統。首先，將圖12A之Zeta與Sepic轉換器改以同步整流之Zeta與Sepic轉換器來取代，亦即，將電路中之被動元件的二極體1214、1221改為開關1234、1231如圖12B所示。
圖12B中，由於變更後之充電轉換器電路與放電轉換器電路之元件已成左右對稱之狀態，因此，即可以電池1225為軸來將充電轉換器電路與放電轉換器電路對折，使開關1211、1234、電感1212、1215、電容1213分別與開關1231、1217、電感1219、1216、電容1218重疊而共用，並於簡化後之負載電阻1223與電容1222連接點插入一低速或高速開關1239，來控制其操作在充電模式或放電模式，即可完成如圖12C所示化簡之單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統。
請參考圖13A至圖13C所示，圖13A係顯示選用Sepic轉換器作為充電轉換器電路、且選用Zeta轉換器作為放電轉換器電路之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統。同樣地，首先將圖13A之Zeta與Sepic轉換器改以同步整流之Zeta與Sepic轉換器來取代，亦即，將電路中之被動元件的二極體1314、1321改為開關1334、1331如圖13B所示。
圖13B中，由於變更後之充電轉換器電路與放電轉換器電路之元件已成左右對稱之狀態，因此，即可以電池1325為軸來將充電轉換器電路與放電轉換器電路對折，使開關1311、1334、電感1312、1315、電容1313分別與開關1331、1317、電感1319、1316、電容1318重疊而共用，並於簡化後之負載電阻1323與電容1322連接點插入一低速或高速開關1339，來控制其操作在充電模式或放電模式，即可完成如圖13C所示化簡之單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之各種更動與潤飾，亦屬本發明之範圍。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
31．．．太陽能光電板
32．．．充電轉換器電路
33．．．電池
34．．．放電轉換器電路
35．．．負載單元
41A、41B、41C、41D、41E、41F．．．輸入單元
42C、42D、42E、42F．．．能量緩衝單元
43A、43B、43C、43D、43E、43F．．．輸出單元
1111、1114、1123、1126、1131．．．開關
1211、1217、1231、1234、1239．．．開關
1311、1317、1331、1334、1339．．．開關
1113、1116、1214、1221、1314、1321．．．二極體
1112、1115、1212、1215、1216、1219．．．電感
1312、1315、1316、1319．．．電感
1117、1213、1218、1222、1313、1318、1322．．．電容
1118、1223、1323．．．電阻
1119．．．電池
圖1係顯示習知之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統圖。
圖2係顯示習知之另一種兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統圖。
圖3係顯示習知之兩級式獨立型太陽能發電系統方塊示意圖。
圖4A係顯示習知之Buck轉換器電路圖。
圖4B係顯示習知之Boost轉換器電路圖。
圖4C係顯示習知之Buck-boost轉換器電路圖。
圖4D係顯示習知之Cuk轉換器電路圖。
圖4E係顯示習知之Zeta轉換器電路圖。
圖4F係顯示習知之Sepic轉換器電路圖。
圖5A係顯示基本轉換器的電壓型輸入單元電路示意圖。
圖5B係顯示基本轉換器的電流型輸入單元電路示意圖。
圖6A係顯示基本轉換器的電流型緩衝元件電路示意圖。
圖6B係顯示基本轉換器的電壓型緩衝元件電路示意圖。
圖7A係顯示基本轉換器的電壓型輸出單元電路示意圖。
圖7B係顯示基本轉換器的電流型輸出單元電路示意圖。
圖8A係顯示圖4A之Buck轉換器的等效電路示意圖。
圖8B係顯示圖4B之Boost轉換器的等效電路示意圖。
圖8C係顯示圖4C之Buck-boost轉換器的等效電路示意圖。
圖8D係顯示圖4D之Cuk轉換器的等效電路示意圖。
圖8E係顯示圖4E之Zeta轉換器的等效電路示意圖。
圖8F係顯示圖4F之Sepic轉換器的等效電路示意圖。
圖9係顯示選用Buck轉換器作為前級充電轉換器電路、Boost轉換器作為後級放電轉換器電路之示意圖。
圖10係顯示選用Boost轉換器作為前級充電轉換器電路、Zeta轉換器作為後級放電轉換器電路之示意圖。
圖11A係顯示選用Buck-boost轉換器來分別作為充電轉換器電路與放電轉換器電路之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖11B係顯示將圖11A之Buck-boost轉換器改以同步整流電路取代之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖11C係顯示將圖11B化簡後之單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖12A係顯示選用Zeta轉換器作為充電轉換器電路、且選用Sepic轉換器作為放電轉換器電路之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖12B係顯示將圖12A之Zeta與Sepic轉換器改以同步整流電路取代之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖12C係顯示將圖12B化簡後之單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖13A係顯示選用Sepic轉換器作為充電轉換器電路、且選用Zeta轉換器作為放電轉換器電路之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖13B係顯示將圖13A之Zeta與Sepic轉換器改以同步整流電路取代之兩級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
圖13C係顯示將圖13B化簡後之單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統電路圖。
1117．．．電容
1118．．．電阻
1119．．．電池
1131．．．開關

Claims (9)

  1. 一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路，適用於將一太陽能發電單元所產生之電力儲存並供給至一負載單元，包括：一儲能單元；一同步整流Buck-boost充電轉換器電路，用以將該太陽能發電單元所產生之電力儲存於該儲能單元中；以及一同步整流Buck-boost放電轉換器電路，用以將該儲能單元中所儲存之電力供給至該負載單元；其中，構成該同步整流Buck-boost充電轉換器電路與該同步整流Buck-boost放電轉換器電路之元件係為共用。
  2. 一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路，適用於將一太陽能發電單元所產生之電力儲存並供給至一負載單元，包括：一儲能單元；一同步整流Zeta充電轉換器電路，用以將該太陽能發電單元所產生之電力儲存於該儲能單元中；以及一同步整流Sepic放電轉換器電路，用以將該儲能單元中所儲存之電力供給至該負載單元；其中，構成該同步整流Zeta充電轉換器電路與該同步整流Sepic放電轉換器電路之元件係為共用。
  3. 一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電電路，適用於將一太陽能發電單元所產生之電力儲存並供給至一負載單元，包括：一儲能單元； 一同步整流Buck充電轉換器電路，用以將該太陽能發電單元所產生之電力儲存於該儲能單元中；以及一同步整流Boost放電轉換器電路，用以將該儲能單元中所儲存之電力供給至該負載單元；其中，構成該同步整流Buck充電轉換器電路與該同步整流Boost放電轉換器電路之元件係為共用。
  4. 一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統，包括：一太陽能發電單元，用以產生電力；一負載單元；一儲能單元；一同步整流Buck-boost充電轉換器電路，用以將該太陽能發電單元所產生之電力儲存於該儲能單元中；以及一同步整流Buck-boost放電轉換器電路，用以將該儲能單元中所儲存之電力供給至該負載單元；其中，構成該同步整流Buck-boost充電轉換器電路與該同步整流Buck-boost放電轉換器電路之元件係為共用。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之系統，其中該負載單元包括負載及串聯該負載之開關。
  6. 一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統，包括：一太陽能發電單元，用以產生電力；一負載單元；一儲能單元；一同步整流Zeta充電轉換器電路，用以將該太陽能發 電單元所產生之電力儲存於該儲能單元中；以及一同步整流Sepic放電轉換器電路，用以將該儲能單元中所儲存之電力供給至該負載單元；其中，構成該同步整流Zeta充電轉換器電路與該同步整流Sepic放電轉換器電路之元件係為共用。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該負載單元包括負載及串聯該負載之開關。
  8. 一種單級式低昇降壓比獨立型太陽能發電系統，包括：一太陽能發電單元，用以產生電力；一負載單元；一儲能單元；一同步整流Buck充電轉換器電路，用以將該太陽能發電單元所產生之電力儲存於該儲能單元中；以及一同步整流Boost放電轉換器電路，用以將該儲能單元中所儲存之電力供給至該負載單元；其中，構成該同步整流Buck充電轉換器電路與該同步整流Boost放電轉換器電路之元件係為共用。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該負載單元包括負載及串聯該負載之開關。
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