專利名稱：基于升壓和降壓轉(zhuǎn)換的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器和包含此調(diào)節(jié)器的太陽能電池功率系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于升壓和降壓轉(zhuǎn)換器的專門用于航天器上的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器。本發(fā)明還涉及包括這種調(diào)節(jié)器的太陽能電池功率系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如衛(wèi)星和空間探測(cè)器的航天器通常包括光電發(fā)生器，意在為裝載設(shè)備供電并且在衰退期間為供電的電池充電。用于航天器的太陽能電池功率系統(tǒng)一般包括一組太陽能電池陣列，功率總線、可充電電池和一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)器電路用于將功率從太陽能電池陣列傳送到功率總線。最簡(jiǎn)單并且使用最廣泛的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)基于直接能量傳送
(DET)，這意味著它們將太陽能電池陣列直接連接到功率總線。由于性能、簡(jiǎn)潔性和功率密度之間實(shí)現(xiàn)的良好折中，連續(xù)開關(guān)旁路調(diào)節(jié)器(S3R)大概是最流行的DET太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器。為了描述這種調(diào)節(jié)器架構(gòu)，參見美國(guó)專利4，186，336和D. O，Sullivan, A. Weinberg 在 1977 年 9 月 21-23 日的 Third ESTECSpacecraftPower Conditioning Seminar,Nordwijk,The Netherlands,題為“The sequential SerialShunt Regulator” 的文章。在S3R調(diào)節(jié)器中，太陽能電池陣列被分成幾個(gè)部分，工作在各自“恒流”區(qū)域并且比作電流源。調(diào)節(jié)器包括開關(guān)，用于將各部分彼此獨(dú)立地旁路或連接到功率總線。調(diào)節(jié)器連續(xù)操作開關(guān)從而調(diào)節(jié)總線電壓這意味著在任何時(shí)候，太陽能電池陣列部分的第一組連接到總線，第二組被旁路并且以開關(guān)模式操作單個(gè)部分從而獲得電壓調(diào)節(jié)。隨著功率總線負(fù)載需求增加，旁路部分的數(shù)量減小，在需要最大功率時(shí)，所有部分連接到功率總線。針對(duì)連續(xù)開關(guān)旁路調(diào)節(jié)器的電性能的主要優(yōu)勢(shì)在于以下事實(shí)在總線功率需求高時(shí)(在所有太陽能電池陣列部分連接到總線來遞送功率時(shí))，由于僅存在通過旁路二極管、線束、連接器等的傳導(dǎo)損失，S3R的效率極佳。從功率效率觀點(diǎn)來看，在太陽能電池陣列部分最大功率點(diǎn)電壓(Vmp)精確等于主總線電壓(加上相關(guān)二極管或二極管和線束電壓降)時(shí)，優(yōu)化S3R的應(yīng)用。通常，設(shè)計(jì)S3R太陽能電池功率系統(tǒng)從而確保在功率系統(tǒng)余量最小時(shí)實(shí)現(xiàn)這種條件，典型地為《壽命終結(jié)》條件。DET功率系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，它們需要對(duì)具有太陽能電池陣列的調(diào)節(jié)器電子電路的特定適應(yīng)性，由此防止DET-SAR調(diào)節(jié)器被開發(fā)為可能在許多任務(wù)中與不同的太陽能電池陣列結(jié)構(gòu)使用的現(xiàn)成的再現(xiàn)產(chǎn)品。DET概念的另一缺點(diǎn)在于，在一個(gè)部分附接到總線(旁路開關(guān)打開)時(shí)，遞送到總線太陽能電池陣列功率取決于太陽能電池陣列特征和功率總線電壓水平兩者。眾所周知，太陽能電池陣列特征以及由此相關(guān)的最大功率點(diǎn)電壓由于溫度、老化、福射、太陽能電池視界角、太陽強(qiáng)度等變化。因此，不得不考慮太陽能電池陣列功率的非最優(yōu)傳送。而且，具有S3R的優(yōu)化功率傳送校準(zhǔn)可以僅實(shí)現(xiàn)按用于具有恒定電壓電平的調(diào)節(jié)總線，而不用于存在某些電壓變化的非調(diào)節(jié)(電池)總線。調(diào)節(jié)總線在低地球軌道衛(wèi)星(LEO)中的使用受到電池放電調(diào)節(jié)器重量的阻礙，其尺寸和質(zhì)量取決于掩食時(shí)間和軌道周期之間的比率。因此，電池總線常用于LEO衛(wèi)星。因此，對(duì)于太陽能電池陣列特征和/或主總線電壓會(huì)變化的任務(wù)(例如，外層空間任務(wù)或LEO任務(wù))，通過切換太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器用能從太陽能電池陣列提取最大功率的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT-SAR)可以便捷地替換DET-SAR。MPPT-SAR包括連接在太陽能陣列和功率總線之間的DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器。在總線功率需求低于來自太陽能電池陣列的可用功率時(shí)，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)載荷需求調(diào)節(jié)注入到功率總線的電流，根據(jù)情況包括以其最大充電電流對(duì)電池充電。在總線功率需要高于太陽能電池陣列功率容量時(shí)，最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT)所
驅(qū)動(dòng)的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器將其輸入電壓設(shè)置在使得來自太陽能電池陣列的功率提取最大的值VMP。在此情況下，電池處于放電模式，或者減弱的電池充電模式，而從不處于最大充電電流模式。文獻(xiàn)FR 2885237和US 2007/0024257披露了特別適合空間應(yīng)用的完全模擬最大
功率點(diǎn)跟蹤器。F. Tonicello 和 S. Vazquez del Real 的題為 “Maximum Power PointTrackerapproach to a regulated bus” 的文章提供了對(duì) MPPT-SAR 的概述。迄今，在MPPT-SAR功率系統(tǒng)中使用了兩種主要方法。根據(jù)第一方法，DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器為降壓轉(zhuǎn)換器(典型地為“降壓”類型)，其中總線電壓必須總小于太陽能電池陣列電壓。目前，這是最常見的架構(gòu)。根據(jù)第二方法，DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器為升壓轉(zhuǎn)換器(典型地為“升壓”類型)，其中總線電壓必須總大于太陽能電池陣列電壓。升壓MPPT-SAR的控制比降壓SAR更困難，這是由于穩(wěn)定問題，至少在傳統(tǒng)“升壓”轉(zhuǎn)換器執(zhí)行向上轉(zhuǎn)換時(shí)，其傳送函數(shù)呈現(xiàn)為右半平面零點(diǎn)(RHPZ)。參見以下文章P. Rueda 和 B. van der Weerdt 在 2005 年 5 月 9-13 日 'Proceedings of the 7thEuropean Space Power Conference, Stresa, Italy,題為 “Segregated maximum powerpoint tracking based on step-up regulation，，的文章。B. van der Weerdt 和 P. Rueda 在 2008 年 9 月 14-19 日、Proceedings of the8th European Space Power Conference, Constance, Germany,題為 “Quasi-conductancecontrol for step-up regulation，，的文章。F. Tonicello 在 2005 年 5 月 9-13 日、Proceedings of the 7th European SpacePower Conference, Stresa, Italy,題為“The control problem of maximum powertracking in power systems，，的文章。MPPT-SAR的主要缺點(diǎn)在于，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器引入明顯損耗(小百分比)，這會(huì)完全抵消在最大功率點(diǎn)操作所提供的優(yōu)勢(shì)。而且，在太陽能電池陣列電壓和總線電壓之間的差增大時(shí)，SAR的效率降低MPP電壓與總線電壓相差越大，SAR的效率越低(對(duì)于升壓和降壓轉(zhuǎn)換器都是這樣)。結(jié)果，并且有些意外的是，MPPT功率系統(tǒng)的總效率會(huì)低于輸送相同功率的S3R的效率，這主要是因?yàn)樵谒胁糠诌B接到功率總線時(shí)S3R沒有開關(guān)損耗的事實(shí)。實(shí)現(xiàn)MPPT-SAR的第三個(gè)方法包括使用SEPIC (單端初級(jí)電感器電路)DC/DC轉(zhuǎn)換器。SEPIC為DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括單開關(guān)型降壓或升壓轉(zhuǎn)換器-但是能夠取決于所述開關(guān)運(yùn)行的占空比將輸入電壓升高或降低(輸入/輸出電壓比率等于50%占空比的輸入/輸出電壓比率)。對(duì)于SEPIC轉(zhuǎn)換器對(duì)MPPT-SAR的應(yīng)用參見文獻(xiàn)WO 2006/002380。使用SEPIC而不是傳統(tǒng)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)在于，不必確保任何時(shí)候功率總線電壓高于或低于太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)電壓AV。然而，開關(guān)損耗并未消除。文獻(xiàn)US 2008/0258675披露了 MPPT-SAR，包括由級(jí)聯(lián)到升壓功率單元的降壓功率單元構(gòu)成的升壓/降壓電壓轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)功率單元由數(shù)字微控制器驅(qū)動(dòng)，對(duì)數(shù)字微控制器編程從而根據(jù)以下操作模式之一驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器升壓模式，其中升壓功率單元處于開關(guān)狀態(tài)而降壓功率單元持續(xù)導(dǎo)通；直接能量傳送模式，其中兩個(gè)功率單元持續(xù)導(dǎo)通；以及；降壓模式，其中降壓功率單元處于開關(guān)狀態(tài)而升壓功率單元持續(xù)導(dǎo)通。文獻(xiàn)US2008/0258675沒有披露如何可以具體執(zhí)行升壓和降壓轉(zhuǎn)換器的控制。然而，這對(duì)于以下原因來說是關(guān)鍵問題由于所謂的“右半平面零點(diǎn)問題”，升壓功率單元的控制環(huán)路具有變得不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)；控制系統(tǒng)必須確保不同操作模式之間的平滑轉(zhuǎn)移(升壓、降壓、DET)；控制系統(tǒng)必須在所有操作模式穩(wěn)定，例如，在電池管理模式，而不是太陽能電池陣列的電壓和電流區(qū)域工作在MPPT模式時(shí)。即使發(fā)生故障，必須避免升壓和降壓?jiǎn)卧耐瑫r(shí)操作；必須將復(fù)雜度保持在低水平，尤其在模擬實(shí)現(xiàn)的情況，這在空間應(yīng)用中是優(yōu)選的，這是由于與微處理器解決方案相比的更大可靠性；控制系統(tǒng)必須與例如在空間應(yīng)用中需要的冗余和/或隔離方案相兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種升壓/DET/降壓太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器以及與上述需求至少部分一致的太陽能電池功率系統(tǒng)。該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求I的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的，其具有連接到太陽能電池陣列的輸入端口和連接到功率總線的輸出端口，并且包括連接在所述輸入端口和輸出端口之間的三模開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器，包括第一和第二開關(guān)單元，用于選擇性地實(shí)現(xiàn)電功率的升壓轉(zhuǎn)換、降壓轉(zhuǎn)換或直接傳送；以及控制電路，用于生成第一和第二脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)所述第一和第二開關(guān)單元。所述調(diào)節(jié)器執(zhí)行單電流控制環(huán)路，用于使用與流過開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的電感器的電流成比例的電流反饋信號(hào)生成所述第一和第二脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的電感器與開關(guān)單元的輸入端口或輸出端口串聯(lián)連接。這種調(diào)節(jié)器的有利實(shí)施例構(gòu)成了從屬權(quán)利要求2-12的主題。該目的還由根據(jù)權(quán)利要求13的太陽能電池功率系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括
如上所述的至少一個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器；至少一個(gè)太陽能電池陣列，連接到所述或各個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的輸入端口 ；以及功率總線，連接到所述或各個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的輸出端口 ；其中太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器配置成取決于所述功率總線的功率需求將所述太陽能電池陣列操作在其特征的恒定電壓部分或者其最大功率點(diǎn)。這種太陽能電池功率系統(tǒng)的有利實(shí)施例構(gòu)成了從屬權(quán)利要求14-19的主題。附圖簡(jiǎn)述結(jié)合附圖從隨后的描述，本發(fā)明的另外特征和優(yōu)勢(shì)將變得明顯，附圖示出了 圖IA和IB為太陽能電池陣列在不同工作條件下的{V，1}和{V，P}特征曲線；圖2為根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)化框圖；圖3A-3E為適合在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中使用的不同降壓-升壓DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖4A、4B和4C為連接到根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的太陽能電池陣列的三個(gè)工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的三個(gè)工作模式；圖5為圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的反饋控制的簡(jiǎn)化框圖；圖6A和6B為圖示了根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的兩個(gè)替代反饋控制方案的細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化電路圖；圖7A、7B和7C分別為圖示了根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的操作的簡(jiǎn)化電路圖和兩個(gè)波形曲線；圖8、9A和9B為用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的太陽能電池功率系統(tǒng)的三個(gè)不同的冗
余/隔離方案；圖IOA和IOB為用于根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的太陽能電池功率系統(tǒng)的兩個(gè)不同
的冗余/隔離方案；

圖11A-16C為描繪了根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的控制電路的穩(wěn)定性的一組曲線；以及圖17A-17C為描繪了根據(jù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器3B的本發(fā)明的不同實(shí)施例的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的控制電路的動(dòng)態(tài)特性的一組曲線，測(cè)試設(shè)置如圖5所示。
具體實(shí)施例方式圖IA示出了兩個(gè)不同工作條件(溫度和亮度)下的太陽能電池陣列的電壓/電流-或^，工丨-特征曲線口^和…〗”圖IB示出了相應(yīng)的電壓/功率-或者{V，P}_特征曲線CVPpCVPy如本領(lǐng)域所公知的，{V，I}特征曲線包括第一區(qū)域(“電流區(qū)域”)其中所生成的電流Isa近似獨(dú)立于電壓，以及第二區(qū)域(“電壓區(qū)域”)其中電壓Vsa近似獨(dú)立于電流。在兩個(gè)區(qū)域之間，存在“彎曲”，其對(duì)應(yīng)于最大功率點(diǎn)，這可從圖IB上清楚看出。圖IB示出了取決于如溫度、亮度和老化的條件相同太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)電壓Vmp在操作期間可能變化非常明顯(例如在28和78V之間)。容易理解的是，如果圖中的太陽能電池陣列連接到以30V調(diào)節(jié)的功率總線，則會(huì)非常高效地(幾乎在MPP)運(yùn)行在第一條件(曲線CVP1所表示)，而在第二條件(曲線CVP2所表示)運(yùn)行相當(dāng)?shù)托?。相反，如果總線電壓水平大約為75V時(shí)，則功率生成在第二條件非常高效，而在第一條件下將不生成功率。結(jié)果，如果期望太陽能電池功率系統(tǒng)的工作條件在其運(yùn)行壽命期間非常明顯地變化，如在某些太空任務(wù)的情況一樣，太陽能電池陣列與功率總線的直接連接不是有利選擇。在此情況下，如上所述，已知的是使用DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器作為太陽能電池陣列和功率總線之間的接口。適合的控制電路可以確保無論何時(shí)需要太陽能電池陣列的操作都處于或在其最大功率點(diǎn)附近，而與溫度、亮度、輻射和老化無關(guān)。然而，由于不可避免的開關(guān)損耗，功率生成效率的這種增大僅以減小功率傳輸效率為代價(jià)。圖2示出了為根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池功率系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。這種功率系統(tǒng)包括太陽能電池陣列SA、太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器SAR、功率總線PB和功率總線容量CPB。太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器SAR主要由開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器SVC和控制電路CC構(gòu)成，執(zhí)行根據(jù)至少一個(gè)功率請(qǐng)求信號(hào)PRS的所述轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制。取決于PRS信號(hào)，控制電路可
以驅(qū)動(dòng)SAR調(diào)節(jié)器從而使得SA運(yùn)行在其最大功率點(diǎn)或者較低功率水平從而為功率總線提供所需的電流強(qiáng)度。開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器SVC具有連接到太陽能電池陣列SA的輸入端口 IN和連接到功率總線PB的輸出端口 OUT。它包括兩個(gè)開關(guān)單元，或圖上晶體管表示的功率單元PC1和PC2,以及串聯(lián)連接到開關(guān)單元的輸入端口或輸出端口的至少一個(gè)電感器U。功率單元PCl是降壓型，例如(一個(gè)或兩個(gè)電感器)降壓?jiǎn)卧β蕟卧狿C2是升壓型，例如(一個(gè)或兩個(gè)電感器)升壓?jiǎn)卧?。兩個(gè)功率單元可以級(jí)聯(lián)或者交錯(cuò)，并且它們可以有利地共享一些感性組件。在任意情況下，將它們互連從而允許進(jìn)行轉(zhuǎn)換器的三模(降壓、直接能量傳送和升壓)操作。在降壓操作中，第一功率單元PCl是有源的(即，處于開關(guān)狀態(tài)從而執(zhí)行電壓降低轉(zhuǎn)換)，而第二功率單元PC2是無源的并且對(duì)于功率傳送是“透明的”。在升壓操作中，第二功率單元PC2是有源的(即，處于開關(guān)狀態(tài)從而執(zhí)行電壓升高轉(zhuǎn)換)，而第一功率單元PCl是無源的并且對(duì)于功率傳送是“透明的”。在直接能量傳送或“DET”操作中，兩個(gè)功率單元都是無源的?？刂齐娐稢C通過生成用于控制第一開關(guān)單元PCl的操作的第一脈沖寬度調(diào)制-或PWM-信號(hào)PWMSl以及用于驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)單元PC2的操作的第二脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWMS2來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器SVC的反饋控制。本發(fā)明的重要特征在于，使用單反饋環(huán)用于生成兩個(gè)PWM信號(hào)。該單環(huán)路使用與流過轉(zhuǎn)換器的電感器L1的電流k成比例的反饋信號(hào)Stt，所述電感器串聯(lián)連接到開關(guān)單元的輸入端口或輸出端口，為此稱為“電流控制環(huán)路”。圖3A-3E圖示了適于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的六種升壓/DET/降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。在Jingquan Chen, Dragan Maksimovic 和 Robert Erickson 在 2001 年、Proceedings of thePower Electronics Specialists Conference, Vancouver, Canada,題為“Buck-Boost PWMConverters Having Two Independently Controlled Switches，，的文章中更深入地討論了這些和其他適合的轉(zhuǎn)換器方案。圖3A的轉(zhuǎn)換器包括由升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)的(非反向)雙電感器降壓?jiǎn)卧M成。反饋信號(hào)&與整個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入電流成比例。圖3B的轉(zhuǎn)換器包括由升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)的(非反向)降壓?jiǎn)卧M成。反饋信號(hào)Si與升壓?jiǎn)卧妮敵鲭娏?升壓?jiǎn)卧妮斎腚娏鞒杀壤?。圖3C的轉(zhuǎn)換器包括與兩個(gè)電感器降壓?jiǎn)卧诲e(cuò)的(非反向)升壓?jiǎn)卧M成。與圖3A的方案相似，反饋信號(hào)&與整個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入電流成比例。圖3A、3B和3C的電路的特征在于，它們包括單電感器升壓轉(zhuǎn)換器。它們可以統(tǒng)稱為“第一組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”。圖3D的轉(zhuǎn)換器包括與降壓?jiǎn)卧诲e(cuò)的(非反向)兩個(gè)升壓?jiǎn)卧M成。反饋信號(hào)Sil與整個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電流成比例。圖3E的轉(zhuǎn)換器包括由兩個(gè)電感器升壓?jiǎn)卧?jí)聯(lián)的(非反向)降壓?jiǎn)卧M成。同樣，反饋信號(hào)&與整個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電流成比例。圖3D和3E的電路的特征在于，它們包括雙電感器升壓轉(zhuǎn)換器。它們可以統(tǒng)稱為
“第二組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”。相比較“第一組”轉(zhuǎn)換器，它們更容易控制，這是因?yàn)殡p電感器升壓?jiǎn)卧獩]有右半平面零點(diǎn)，并且因此它們更適于調(diào)節(jié)總線的供電。右半平面零點(diǎn)引起增益的增加但是使得開路頻率響應(yīng)的相位惡化，更難以保證具有足夠穩(wěn)定相位和增益余量的高帶寬。這對(duì)于電池直接連接到總線并且保證低阻抗的電池總線來說不是問題，即使調(diào)節(jié)器被限制運(yùn)行在低帶寬。如上所述，控制電路CC配置成取決于功率請(qǐng)求信號(hào)PRS的值根據(jù)以下運(yùn)行模式之一驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換器SVC 升壓模式，其中升壓功率單元PC2處于開關(guān)狀態(tài)而降壓功率單元PC1持續(xù)導(dǎo)通(參見圖4A)；直接能量傳送模式，其中兩個(gè)功率單元都持續(xù)導(dǎo)通(參見圖4B)，從而完全消除開關(guān)損耗；以及降壓模式，其中降壓功率單元PC1處于開關(guān)狀態(tài)而升壓功率單元PC2持續(xù)導(dǎo)通，即旁路開關(guān)SW2持續(xù)打開(參見圖4C)。在Vbus接近Vmp時(shí)，SAR運(yùn)行在DET模式，而其功率傳送效率幾乎與S3R的一樣好，并且好于傳統(tǒng)MPPT-SAR的效率。圖5是基于圖3B的、給連接到阻抗&的載荷的非調(diào)節(jié)“電池”總線供電的電壓轉(zhuǎn)換器SVC，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的MPPT-SAR的簡(jiǎn)化表示，盡管比圖2更具體。電壓轉(zhuǎn)換器SVC的降壓功率單元PC1包括由功率MOS晶體管實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)開關(guān)SW1,旁路二極管D1和串聯(lián)電感器U。升壓功率單元PC2包括所述串聯(lián)電感器L1 (由此由兩個(gè)功率單元所共有)，也由功率MOS晶體管實(shí)現(xiàn)的旁路開關(guān)SW2和旁路電容器Q。如功率電子電路領(lǐng)域已知的那樣，電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為^ = Ci1
vIN對(duì)于降壓操作(降壓功率單元PC1開關(guān))以及^ = T1T-
^IN I ^2對(duì)于升壓操作(升壓功率單元PC2開關(guān))，其中Cl1為驅(qū)動(dòng)“降壓”開關(guān)SW1的PWMSl信號(hào)的占空比，而d2為驅(qū)動(dòng)“升壓”開關(guān)SW2的PWMS2信號(hào)的占空比。在圖5的太陽能電池功率系統(tǒng)中，SVC開關(guān)SW1和SW2受到所謂的“電流環(huán)路”的控制，即閉環(huán)控制，其中反饋信號(hào)Stt與流過串聯(lián)電感器L1的電流成比例而受控變量為驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMSl、PWMS2的開關(guān)占空比Cl1和d2。如圖2和5所示，可由低電阻構(gòu)成的電流傳感器Rsl生成反饋信號(hào)Stt，其作為電感器電流L的函數(shù)，并且具體來說與電感器電流L成比例。使用反饋信號(hào)Stt從而關(guān)閉開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器SVC的控制環(huán)路對(duì)于以下原因是有利的單反饋環(huán)路允許控制兩個(gè)功率單元，從而最小化硬件復(fù)雜度；升壓和降壓?jiǎn)卧耐瑫r(shí)操作從本質(zhì)上來說是不可能的；以及控制環(huán)路是穩(wěn)定的，不管轉(zhuǎn)換器的操作模式如何(升壓、降壓和DET)，稍后參考圖IlA到16C討論后一點(diǎn)。單反饋信號(hào)Stt提供在差分放大器A込的第一輸入端口，相比較電流設(shè)置點(diǎn)值SP1提供在其第二輸入端口，所述差分放大器的輸出Sd提供在作為脈沖寬度調(diào)制器(PWM)工作的兩個(gè)比較器CMP1和CMP2的公共輸入。第一比較器CMP1也具有第二輸入端口，其接收鋸齒波或三角波輸入信號(hào)。所述第一比較器的輸出信號(hào)PWMSl為脈沖寬度調(diào)制方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)降壓功率單元PCl的開關(guān)組件sv類似地，第二比較器CMP2也具有第二輸入端口，其接收具有正偏移鋸齒波或三角波輸入信號(hào)。所述第二比較器的輸出信號(hào)PWMS2為脈沖寬度調(diào)制方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)升壓功率單元PC2的開關(guān)組件SW2。如進(jìn)一步具體所討論，參考圖7A-7C，在設(shè)置點(diǎn)值SP1出現(xiàn)在的第二輸入端時(shí)，差分放大器明顯低于電感器電流強(qiáng)度L乘以Rsl電流傳感器增益，降壓功率單元開路或處于開關(guān)狀態(tài)，而升壓開關(guān)SW2永久斷開，隨著SP1增加，PWMSl的占空比增加，上升至SP1永久接通而SW2保持?jǐn)嚅_的點(diǎn)，從而保證DET，如果SP1進(jìn)一步增加，則升壓?jiǎn)卧_始處于開關(guān)狀態(tài)，而SP1保持接通。由此，三?？刂茊渭冇赡M控制電路實(shí)現(xiàn)。電流設(shè)置點(diǎn)值SP1在Ak的輸入端被估值，差分放大器不固定，相反，由第二(或“外部”)反饋環(huán)路動(dòng)態(tài)確定?？梢栽趫D5上看出，由另外的差分放大器AV提供電流基準(zhǔn)值，另外的差分放大器AV接收在第一輸入端口處的反饋信號(hào)sVIN，其為轉(zhuǎn)換器的輸入端的電壓(即，太陽能電池陣列電壓Vsa)的函數(shù)，具體地說與其成比例；以及第二輸入端口處的電壓設(shè)置點(diǎn)SPV。另外指出，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的SAR的控制電路CC包括外部電壓控制環(huán)路，在其內(nèi)嵌入內(nèi)部輸入電流控制環(huán)路。作為所述輸入電壓基準(zhǔn)值(以及太陽能電池陣列自身的IV，1}特征曲線)的函數(shù)，該雙控制環(huán)路允許固定太陽能電池陣列的工作點(diǎn)(vSA，Isa)。如上所述，在許多太陽能電池功率系統(tǒng)中，不必使得太陽能電池陣列任何時(shí)候都工作在其最大功率點(diǎn)。通常，功率總線連接到太陽能電池陣列、吸收功率的載荷(或者多個(gè)載荷)以及存儲(chǔ)能量的電池BATT。僅在以下情況需要最大功率點(diǎn)工作太陽能電池陣列提供的最大功率不足以滿足來自載荷的功率請(qǐng)求(差異由電池提供)；或者太陽能電池陣列提供的最大功率足以滿足來自載荷的功率請(qǐng)求，而不足以以其最大充電電流對(duì)部分放電電池充電。否則，優(yōu)選地將太陽能電池陣列工作在低功率水平，通常在其電壓區(qū)域內(nèi)，從而避免必須損耗的過量功率的生成。有利地提供電池管理模塊BMM從而控制電池充電并且在不需要工作在最大功率點(diǎn)時(shí)還控制電壓轉(zhuǎn)換器。如圖5所示，電池管理模塊BMM實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路，其具有作為電池充電電流的函數(shù)(具體來說成比例)的第一反饋信號(hào)Sib，作為電池電壓的函數(shù)(具體來說成比例)的第二反饋信號(hào)Svb以及電流和電壓基準(zhǔn)值Ikef和VKEF。電池管理模塊BMM的輸出信號(hào)SP’ v而非MPPT信號(hào)SPv構(gòu)成替代電壓設(shè)置點(diǎn)，其可提供在差分放大器AV的基準(zhǔn)輸入端□。在電池放電時(shí)，電池管理以信號(hào)SPV’控制SAR從而確保與基準(zhǔn)Ikef成比例的充電電池電流。在電池充電結(jié)束時(shí)，電池管理以信號(hào)SPV，控制SAR從而確保與基準(zhǔn)Vkef成比例的充電電池電壓的結(jié)束。電池管理模塊本身是已知的。例如參見Nikolaus Breier, Bernhard Kiewe和Olivier Mourra 在 European Space Power Conference ESPC 2008,14-19 September2008, Konstanz, Germany,題為 “The Power Control and Distribution Unit for theSwarm Satellites” 的文章。提供選擇裝置從而在電池管理模塊BMM提供的MPPT電池設(shè)置點(diǎn)SPv和替代電壓設(shè)置點(diǎn)SP’ v之間選擇。以圖5所示的最簡(jiǎn)單的形式，所述選擇裝置由邏輯“0R”構(gòu)成，通過將MPPT和BMM的輸出連線實(shí)現(xiàn)。邏輯“0R”實(shí)現(xiàn)輸入端的“min”或“max”功能。如果功率請(qǐng)求高于SAR能提供的功率，則BMM設(shè)置點(diǎn)(參見下文，在圖5的情況為SPv ‘，或者在圖6A的情況為SPI ‘)經(jīng)歷高(或低)飽和。因此，在低于(分別地高于)飽和電流時(shí)，MPPT生成的替代電壓設(shè)置點(diǎn)SPv (或SP，，參見圖6A)進(jìn)行控制。作為圖6A上表示的變量，電池管理控制環(huán)路可以確定替代電流設(shè)置點(diǎn)SP’工，與通過電壓差分放大器AV由MPPT提供的電流設(shè)置點(diǎn)SP1 “求或”。圖6A的配置還適合于用于功率總線PB為調(diào)節(jié)總線的情況?！罢{(diào)節(jié)總線”是功率總線，其電壓通過包括用于“主誤差放大器”稱為MEA的差分放大器的控制環(huán)路保持恒定-其生成表示真實(shí)總線電壓和總線基準(zhǔn)電壓Vkef之間的差的誤差信號(hào)VMEA。調(diào)節(jié)總線比“非調(diào)節(jié)”總線更復(fù)雜，這是因?yàn)槠潆姵乇仨毻ㄟ^電池充電調(diào)節(jié)器充電并且通過電池放電調(diào)節(jié)器放電從而使得調(diào)節(jié)電壓獨(dú)立于電池電壓。在使用根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器來給調(diào)節(jié)總線供電時(shí)，它是提供了(直接或間接)替代電流設(shè)置點(diǎn)SP’工的MEA，其與根據(jù)圖6A的方案由MPPT提供的電流設(shè)置點(diǎn)SP1 “求或”。圖6B所示的替代方案包括使用類似于圖5的方案，其中BMM由主(電壓)誤差放大器MEA替代，生成表示真實(shí)總線電壓Vmb和總線基準(zhǔn)電壓VmZef之間的差的誤差信
可 Vmea。圖7A示出了測(cè)試工作臺(tái)，用于檢查圖5的SAR的升壓、DET和降壓模式之間的轉(zhuǎn)變。基于其他升壓/DET/降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(例如，圖3A或3C到3E的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))，容易把結(jié)果一般化到SAR。在該測(cè)試工作臺(tái)中，不同于真實(shí)工作條件，在開環(huán)中驅(qū)動(dòng)開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器。在PWM比較器CMP1和CMP2的公共輸入端口提供低頻斜坡信號(hào)LFR。在比較器CMP1的第二輸入端口提供較高頻(典型地在IOOkHz或更大)鋸齒波信號(hào)RS1 ;類似的鋸齒波信號(hào)，但是具有正偏移，在比較器CMP2的第二輸入端口提供RS2。在圖A上，為了清楚起見，在比真實(shí)頻率更低的頻率處展示出鋸齒波信號(hào)RS1, RS2。電壓間隙存在于較低鋸齒波信號(hào)RS1的最大值與較高鋸齒波信號(hào)RS2的最小值之間。圖7B示出了分別由CMPi和CMP2輸出并且分別驅(qū)動(dòng)降壓開關(guān)SW1和升壓開關(guān)SW2的控制信號(hào)PWMSl和PWMS2的示波器跡線。圖7C示出了太陽能電池陣列電壓Vsa，、太陽能電池陣列電流Isa和提供給功率總
線的轉(zhuǎn)換器的輸出電流Iot的示波器跡線。在測(cè)試開始，低頻斜坡信號(hào)LFR的值小于RS1的最小值，指示出不需要來自太陽能電池陣列的功率貢獻(xiàn)。在這些條件下，PWMSl永遠(yuǎn)為低，打開第一開關(guān)SW1并且因此將太陽能電池陣列與功率總線斷開。Isa和Iott等于0(注意圖7C上的曲線Iott為偏移)，Vsa等于太陽能電池陣列的開電路電壓。而且，PWMS2永遠(yuǎn)為低，打開第二開關(guān)SW2。隨后,LFR的值增大,取RS1的最小值和最大值之間的值。因此,在鋸齒波信號(hào)RS1周期的一部分期間，V(LFR) > V(RS1),將P麗SI帶入高值并且關(guān)閉開關(guān)SW115可以理解，PWMSl隨后變成方波，其占空比取決于V(LFR)。隨著V(LFR)增大，占空比增大，并且Isa和Itm也增大；太陽能電池陣列電壓Vsa降低一點(diǎn)。在此期間，第二開關(guān)SW2保持打開。在這種情況下，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器SVC工作在降壓或降壓模式。這是本發(fā)明的SAR的第一工作模式OMl。在V(LFR)超過鋸齒波信號(hào)RS1的最大值時(shí)，PWMSl保持鎖定在高值，第一開關(guān)SWi保持閉合，而第二開關(guān)SW2仍然打開。在這些情況下，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器SVC對(duì)功率是“透明的”，直接從太陽能電池陣列傳輸?shù)焦β士偩€。這是本發(fā)明的SAR的第二(DET)工作模式0M2。在此模式中，ISA，Iqut和Vsa獨(dú)立于V (LFR)的精確值。在V(LFR)增加到超過偏移鋸齒波信號(hào)RS2的最小值的點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWMS2驅(qū)動(dòng)變成方波，其占空比取決于V(LFR)。“升壓”開關(guān)SW2以所述占空比周期性打開和關(guān)閉，而SW1保持閉合。這是本發(fā)明的SAR的第三(升壓)工作模式0M3。Isa增加到極限值的上限，而Vsa降低。Itm經(jīng)過最大值-對(duì)應(yīng)于SAR效率所標(biāo)定的最大功率點(diǎn)-并且隨后降低。注意，在不同配置中，在升壓模式中可以達(dá)到最大功率點(diǎn)MPP。如果V (LFR)進(jìn)一步增加，則PWMS2的占空比等于I，這意味著第二開關(guān)SW2永遠(yuǎn)關(guān)閉，旁路太陽能電池陣列。如已經(jīng)提到的，冗余和/或隔離在關(guān)鍵-例如空間-的應(yīng)用中是重要的?！叭哂唷敝傅氖桥R界函數(shù)的倍乘，例如最大功率點(diǎn)跟蹤器，從而避免單次故障的有害影響?！案綦x”系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為了避免故障效果的傳播，例如隔離可以避免單太陽能電池陣列和相關(guān)電子電路的故障導(dǎo)致功率總線的短路。本發(fā)明的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器可以容易地集成在冗余和/或隔離方案中。圖8、9A和9B圖示了根據(jù)本發(fā)明的提供冗余的太陽能電池功率系統(tǒng)的三種不同實(shí)現(xiàn)方式。再次，這些例子基于圖3B的電壓轉(zhuǎn)換器，但是可以容易地將它們一般化。圖8的功率系統(tǒng)基于熱冗余。系統(tǒng)包括多個(gè)(例如，5個(gè))太陽能電池陣列SAi,其輸出連接到第一公共節(jié)點(diǎn)CNltj根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)(例如，3個(gè))調(diào)節(jié)器SAl連接到所述第一公共節(jié)點(diǎn)與第二公共節(jié)點(diǎn)CN2之間，將所述調(diào)節(jié)器的輸出中心化。模塊IF和IP分別表示輸入濾波器和輸入保護(hù)，這些組件是慣用的。在圖8的方案中的輸入保護(hù)在一個(gè)SARj的異常性能的情況下為打開功率線的開關(guān)。這樣，其他SAR^j i)保持能夠名義上運(yùn)行，并且在沒有功率損耗的情況下將來自太陽能電池陣列的請(qǐng)求功率傳送給總線。 實(shí)現(xiàn)電池管理控制環(huán)路的電池管理模塊BMM和最大功率點(diǎn)跟蹤器MPPT已被實(shí)現(xiàn)作為分立元件。這確保共同操作調(diào)節(jié)器SARp BMM和MPPT模塊自身是冗余的，由多數(shù)投票器MV所連接的三個(gè)仿形構(gòu)成。圖9A和9B指的是基于隔離冗余的兩個(gè)不同架構(gòu)。在這些架構(gòu)中，功率系統(tǒng)包括多個(gè)(例如5個(gè))功率單元TOi,每個(gè)都包括太陽能電池陣列SAi和太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器SARp功率單元連接到公共功率總線PB。在圖9A的功率系統(tǒng)中，每個(gè)功率單元提供有各個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤器MPPTi,而電池管理模塊BMM置于中心(并且是冗余的)。相反，在圖9B的功率系統(tǒng)中，最大功率點(diǎn)跟蹤器MPPT和電池管理模塊BMM以分立、置于中心以及冗余元件的形式實(shí)現(xiàn)。圖IOA圖示了基于圖8的相同“熱”冗余方案的太陽能電池功率系統(tǒng)。然而，圖IOA的功率系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)總線(基準(zhǔn)BCR和BDR分別指示電池充電調(diào)節(jié)器和電池放電調(diào)節(jié)器)并且使用圖3D類型的電壓轉(zhuǎn)換器。圖IOB圖示了基于圖9A的相同隔離方案的太陽能電池功率系統(tǒng)，但是包括調(diào)節(jié)總線并且使用圖3D類型的電壓轉(zhuǎn)換器。圖IOA和IOB的方案包括保護(hù)開關(guān)PSM，確保在SAR之一中出現(xiàn)單個(gè)故障之后不再發(fā)生功率損耗(或功率總線短路電路)。具體描述了幾個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例，現(xiàn)在示出單電流反饋環(huán)的使用，其反饋電流與流過開關(guān)單元的“串聯(lián)”電感器的電流成比例，這確保即使在MPPT操作中實(shí)現(xiàn)所述開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定控制。對(duì)于升壓和降壓操作以及在非線性太陽能電池陣列特征的不同工作點(diǎn)必須確保穩(wěn)定性。為了造成更多困難，公知的是，在其輸入具有電壓源的單電感器升壓轉(zhuǎn)換器的傳輸函數(shù)具有右半平面零點(diǎn)，使得反饋控制變得困難。而且，控制策略不應(yīng)該妨礙最大功率點(diǎn)跟
I 示。以發(fā)明人所知，當(dāng)前披露的控制策略是唯一一個(gè)能通過單反饋環(huán)實(shí)現(xiàn)升壓/DET/降壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定控制的策略?，F(xiàn)在展示的是，在升壓和降壓操作、在太陽能電池陣列特征的“電壓”和“電流”區(qū)域中，本發(fā)明的控制電路實(shí)現(xiàn)圖3A-3D的轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定控制。圖11A、11B和IlC圖示了降壓操作中圖3B的轉(zhuǎn)換器(基于圖5的調(diào)節(jié)器)的控制的穩(wěn)定性。更精確地說，圖IlA示出了太陽能電池陣列V-I(上面板)和V-P(下面板)特征和四個(gè)工作點(diǎn)0P15 (電流區(qū)域)、0P16 (MPP)、0P17和0P18 (電壓區(qū)域)。所有這些工作點(diǎn)位于總線電壓水平Vbus之上，因此轉(zhuǎn)換器工作在降壓或下降模式。
圖IlB示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的增益預(yù)示曲線。曲線G15-G18對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P15-0P18?？梢钥闯鲎钚≡鲆嬗嗔看笥?0dB。圖IlC示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的相位預(yù)示曲線。曲線P15-P18對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P15-0P18?？梢钥闯鲎钚∠辔挥嗔看笥?0度。圖12A、12B和12C圖示了在升壓操作下同一轉(zhuǎn)換器的控制穩(wěn)定性。更精確地說，圖12A示出了太陽能電池陣列V-I (上面板)和V-P(下面板)特征和四個(gè)工作點(diǎn)0P19 (電流區(qū)域)、0P20 (MPP)、0P21 (電壓區(qū)域)。所有這些工作點(diǎn)位于總線電壓水平VBUS之上，因此轉(zhuǎn)換器工作在升壓或上升模式。圖12B示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的增益預(yù)示曲線。曲線G19-G21對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P19-0P21?？梢钥闯鲎钚≡鲆嬗嗔看笥?0dB。圖12C示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的相位預(yù)示曲線。曲線P19-P21對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P19-0P21?？梢钥闯鲎钚∠辔挥嗔看笥?0度?？梢匀菀昨?yàn)證，圖3A和3C的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從控制視角來看嚴(yán)格等同。對(duì)于圖3D和3E的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣如此。圖13A、13B和13C圖示了降壓操作中圖3A和3C的轉(zhuǎn)換器的控制穩(wěn)定性。更精確地說，圖13A示出了太陽能電池陣列V-I(上面板)和V-P(下面板)特征和四個(gè)工作點(diǎn)OPl (電流區(qū)域)、0P2 (MPP)、0P3和0P4 (電壓區(qū)域)。所有這些工作點(diǎn)位于總線電壓水平Vbus之上，因此轉(zhuǎn)換器工作在降壓或下降模式。圖13B示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的增益預(yù)示曲線。曲線G1-G4對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P1-0P4。可以看出最小增益余量大于10dB。圖13C示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的相位預(yù)示曲線。曲線P1-P4對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P1-0P4?？梢钥闯鲎钚∠辔挥嗔看笥?0度。圖14A、14B和14C圖示了在升壓操作下相同轉(zhuǎn)換器的控制穩(wěn)定性。更精確地說，圖14A示出了太陽能電池陣列V-P特征和另外三個(gè)工作點(diǎn)0P5 (電流區(qū)域)、0P6 (MPP)和0P7(電壓區(qū)域)。這次所有這些工作點(diǎn)位于總線電壓水平Vbus之下，因此轉(zhuǎn)換器工作在升壓或上升模式。圖14B示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的增益預(yù)示曲線(曲線G5-G7)?？梢钥闯鲎钚∠辔挥嗔看笥?0dB。圖14C示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的相位預(yù)示曲線(曲線P5-P7)?？梢钥闯鲎钚∠辔挥嗔看笥?0度。圖15A、15B和15C圖示了降壓操作中圖3D和3E的轉(zhuǎn)換器的控制穩(wěn)定性。更精確地說，圖15A示出了太陽能電池陣列V-P特征和三個(gè)工作點(diǎn)0P9(電流區(qū)域)、OPlO(MPP) > OPlK電壓區(qū)域)。所有這些工作點(diǎn)位于總線電壓水平Vbus之上，因此轉(zhuǎn)換器工作在降壓或下降模式。圖15B示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的增益預(yù)示曲線。曲線G9-G11對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P9-0P11。可以看出最小增益余量大于10dB。圖15C示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的相位預(yù)示曲線。曲線P9-P11對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)0P9-0P11?？梢钥闯鲎钚≡鲆嬗嗔看笥?0度。圖16A、16B和16C圖示了在升壓操作下相同轉(zhuǎn)換器的控制穩(wěn)定性。
更精確地說，圖16A示出了太陽能電池陣列V-P特征和另外三個(gè)工作點(diǎn)0P12(電流區(qū)域)、0P13 (MPP)和0P14(電壓區(qū)域)。這次所有這些工作點(diǎn)位于總線電壓水平Vbus之下，因此轉(zhuǎn)換器工作在升壓或上升模式。圖16B示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的增益預(yù)示曲線(曲線G12-G14)?？梢钥闯鲎钚∠辔挥嗔看笥?0dB。圖16C示出了輸入電壓環(huán)路和控制電路的相位預(yù)示曲線(曲線P12-P14)。可以看出最小相位余量大于60度。在相關(guān)面包板上測(cè)試了圖3B的轉(zhuǎn)換器(基于圖5的調(diào)節(jié)器)的太陽能電池陣列(輸入)電壓控制的穩(wěn)定性。圖17A示出了工作點(diǎn)在“假象”三角信號(hào)驅(qū)動(dòng)下圍繞太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)MPP振蕩時(shí)太陽能電池陣列電壓Vsa、太陽能電池陣列功率Psa和總線電壓Vbus的曲線，“假象”三角信號(hào)模擬MPP跟蹤器所生成的電壓設(shè)置點(diǎn)SPV。在圖17A的情況下，太陽能電池陣列電壓總低于總線電壓(升壓操作)。圖17B示出了工作點(diǎn)在圖17A的情況相同的三角設(shè)置點(diǎn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下圍繞太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)MPP振蕩時(shí)太陽能電池陣列電壓Vsa、太陽能電池陣列功率Psa和總線電壓Vbus的曲線，太陽能電池陣列電壓總高于總線電壓(降壓操作)。圖17C示出了工作點(diǎn)在圖17A和17B的情況一樣的三角設(shè)置點(diǎn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下圍繞太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)MPP振蕩時(shí)太陽能電池陣列電壓Vsa、太陽能電池陣列功率Psa和總線電壓Vbus的曲線，所述MPP對(duì)應(yīng)于總線電壓。在這些條件下，太陽能電池陣列電壓有時(shí)高于并且有時(shí)低于總線電壓；因此轉(zhuǎn)換器可替代地工作在升壓、DET和降壓模式中。重要的是，注意對(duì)于三個(gè)附圖17A、17B和17C已經(jīng)應(yīng)用了相同的控制方案。在所有的情況下，真實(shí)的太陽能電池陣列電壓在MPP周圍振蕩并且完全遵循三角設(shè)置點(diǎn)信號(hào)。這表明SAR的輸入電壓環(huán)路具有足夠的動(dòng)態(tài)特性從而與MPPT —起使用。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)，具有連接到太陽能電池陣列(SA)的輸入端口(IN)以及連接到功率總線(PB)的輸出端口 (OUT)，包括: 連接在所述輸入端口和輸出端口之間的三模開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(SVC)，包括第一和第二開關(guān)單元(PC1、PC2)，用于選擇性地實(shí)現(xiàn)電功率的升壓轉(zhuǎn)換、降壓轉(zhuǎn)換或直接傳送；以及控制電路(CC)，用于生成第一和第二脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWMS1、PWMS2)，分別驅(qū)動(dòng)所述第一和第二開關(guān)單元， 其特征在于，所述控制電路執(zhí)行單電流控制環(huán)路，用于使用與流過開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的電感器(L1)的電流(IJ成比例的電流反饋信號(hào)(S」生成所述第一和第二脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM1，PWM2)，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的電感器與開關(guān)單元的輸入端口或輸出端口串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器，其中所述控制電路包括第一和第二脈沖寬度調(diào)制器(PWM1，PWM2)，其具有公共輸入端口，用于接收由所述電流控制環(huán)路所生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(Sd)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器，其中所述電流控制環(huán)路和所述第一和第二脈沖寬度調(diào)制器被實(shí)現(xiàn)為模擬電路。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器，其中所述控制電路還實(shí)現(xiàn)外部控制環(huán)路，配置用于生成用于所述電流控制環(huán)路的電流設(shè)置點(diǎn)(SP1)并且使用 電壓反饋信號(hào)(Svin)，與開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(Vin)成比例；以及 電壓設(shè)置點(diǎn)(SPv)，與最大功率點(diǎn)跟蹤單元(MPPT)所生成的電壓基準(zhǔn)值(Vmpp)成比例。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步包括 裝置(BMM，MEA)，用于生成用于所述電壓控制環(huán)路的替代電壓設(shè)置點(diǎn)(SP’V);以及裝置(OR)，用于選擇所述最大功率點(diǎn)跟蹤單元(MPPT)所生成的電壓設(shè)置點(diǎn)(SPv)或者所述替代電流設(shè)置點(diǎn)(SP’ v)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步包括 裝置(BMM，MEA)，用于生成用于所述電流控制環(huán)路的替代電流設(shè)置點(diǎn)(SP’ x);以及裝置(OR)，用于選擇所述外部電壓環(huán)路所生成的電流設(shè)置點(diǎn)(SP1)或者所述替代電流設(shè)置點(diǎn)(SP’ x)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器，其中用于生成替代電壓或電流設(shè)置點(diǎn)(SP’ v, SP’ x)的所述裝置包括主誤差放大器(MEA)，配置用于產(chǎn)生表示開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(SVC)的輸出電壓(Vqut)與總線調(diào)節(jié)電壓基準(zhǔn)(VmZef)之間的差的信號(hào)(Vmea)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器，其中用于生成替代電流設(shè)置點(diǎn)(SP ’ x)的所述裝置包括電池管理模塊。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)，其中所述三模開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(SVC)包括用于執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)換的單電感器升壓開關(guān)單元(PC2)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)，其中所述三模開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(SVC)具有以下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由單電感器升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)的雙電感器降壓轉(zhuǎn)換器； 由單電感器升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)的單電感器降壓轉(zhuǎn)換器；以及 與單電感器升壓轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)的雙電感器降壓轉(zhuǎn)換器。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求I到8中任一所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)，其中所述三模開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(SVC)包括用于執(zhí)行升壓轉(zhuǎn)換的雙電感器升壓開關(guān)單元(PC2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)，其中所述三模開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(SVC)具有以下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 與單電感器降壓轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)的雙電感器升壓轉(zhuǎn)換器；以及 由雙電感器升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)的單電感器降壓轉(zhuǎn)換器。
13.一種太陽能電池功率系統(tǒng)，包括 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的至少一個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)； 至少一個(gè)太陽能電池陣列(SA)，連接到所述或各個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的輸入端口 ；以及 功率總線(PB)，連接到所述或各個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的輸出端口 ； 其中太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器配置成取決于所述功率總線的功率需求將所述太陽能電池陣列操作在其特征的恒定電壓部分或者其最大功率點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的太陽能電池功率系統(tǒng)，其中太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器配置成 在功率總線電壓包括在圍繞太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)的預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)以直接能量傳送模式驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器； 在功率總線電壓低于所述預(yù)定范圍的下限時(shí)以降壓模式驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器；以及 在功率總線電壓高于所述預(yù)定范圍的上限時(shí)以升壓模式驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14任一所述的太陽能電池功率系統(tǒng)，其中所述功率總線為調(diào)節(jié)總線而所述太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器為根據(jù)權(quán)利要求11所述的調(diào)節(jié)器。
16.根據(jù)權(quán)利要求13到15中任一所述的太陽能電池功率系統(tǒng)，包括 多個(gè)太陽能電池陣列部分(SAi),并聯(lián)連接到第一公共節(jié)點(diǎn)； 根據(jù)權(quán)利要求I到12中任一所述的多個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SARp，工作在熱冗余狀態(tài)，其輸入端口連接到所述第一公共節(jié)點(diǎn)而其輸出端口連接到第二公共節(jié)點(diǎn)；以及功率總線(PB)，連接到所述第二公共節(jié)點(diǎn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13到15中任一所述的太陽能電池功率系統(tǒng)，包括 多個(gè)太陽能電池陣列部分(SAi)； 根據(jù)權(quán)利要求I到12中任一所述的多個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SARp，其輸入端口連接到各自太陽能電池陣列部分而其輸出端口連接到公共節(jié)點(diǎn)；以及功率總線(PB)，連接到所述公共節(jié)點(diǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的太陽能電池功率系統(tǒng)，其中所述太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器包括各自最大功率點(diǎn)跟蹤單元(MPPTi)，用于為其控制電路提供電壓基準(zhǔn)值。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的太陽能電池功率系統(tǒng)，進(jìn)一步包括集中和冗余的最大功率點(diǎn)跟蹤單元(MPPT。)，用于為所述太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的控制電路提供電壓基準(zhǔn)值。
全文摘要
一種太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器(SAR)，具有連接到太陽能電池陣列(SA)的輸入端口以及連接到功率總線(PB)的輸出端口，包括開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(SVC)，包括級(jí)聯(lián)連接的降壓(PC1)和升壓(PC2)功率單元；以及控制電路(CC)，用于取決于輸入控制信號(hào)(PSR)和指示所述開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的工作條件的至少一個(gè)反饋信號(hào)(SILF)將所述電壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)在升壓、降壓或直接能量傳送模式，其特征在于，所述至少一個(gè)反饋信號(hào)(SILF)指示流過所述降壓和所述升壓功率單元之間的電流強(qiáng)度(IL)，由此控制電路實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電流反饋控制。一種太陽能電池功率系統(tǒng)包括至少一個(gè)這種太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器；連接到所述或各個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的輸入端口的至少一個(gè)太陽能電池陣列(SA)以及連接到所述或各個(gè)太陽能電池陣列調(diào)節(jié)器的輸出端口的功率總線(PB)。
文檔編號(hào)H02M3/158GK102804096SQ201080026068
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月16日
發(fā)明者F·托尼賽勒, O·木爾拉 申請(qǐng)人:歐洲空間局