專利名稱：一種太陽能mppt控制器及其n-buck變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光伏發(fā)電及電力電子變換領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽能MPPT控制器及其N-BUCK變換器。
背景技術(shù)：
目前，隨著新能源應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，光伏發(fā)電應(yīng)用已經(jīng)成為光伏新能源利用的一個重要組成部分。光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分是光伏模組，由于光伏組件的PV特性，為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠最大限度地利用太陽能，則必須在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用最大功率點跟蹤(MPPT, Maximum Power Point Tracking)太陽能控制器，以便更好地對光伏模組的工作點進(jìn)行優(yōu)化控制，追蹤最大功率值，使光伏發(fā)電系統(tǒng)在任何時刻都能獲得光伏模組的最大輸出功率。然而，在現(xiàn)有的太陽能MPPT控制器中，由于電路形式和控制方法的限制，會限制太陽能MPPT控制器的輸入電壓跟蹤范圍，降低光伏發(fā)電對太陽能的實際利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器，旨在解決現(xiàn)有的太陽能MPPT控制器的輸入電壓跟蹤范圍小、光伏模組的轉(zhuǎn)換效率低及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對太陽能實際利用效率低的問題。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器，與所述太陽能MPPT控制器的脈寬調(diào)制器及外部的儲能元件連接，所述脈寬調(diào)制器對所述N-BUCK變換器的電流或電壓進(jìn)行檢測并輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號；N-BUCK變換器包括電容C2，所述電容C2連接于所述儲能元件的正極和負(fù)極之間；所述N-BUCK變換器還包括開關(guān)管、儲能模塊及電流引導(dǎo)模塊；所述開關(guān)管的輸入端接輸入直流電的正極，所述開關(guān)管的控制端和輸出端分別與所述脈寬調(diào)制器和所述儲能模塊的第一輸入端連接，所述儲能模塊的第二輸入端連接所述電流引導(dǎo)模塊的輸出端，所述儲能模塊的輸出端和所述電流引導(dǎo)模塊的輸入端分別連接所述電容C2的第一端和第二端，所述電流引導(dǎo)模塊的輸入端還連接所述輸入直流電的負(fù)極；所述開關(guān)管根據(jù)所述脈寬調(diào)制器所輸出的脈寬調(diào)制信號以相應(yīng)的高低電平實現(xiàn)通斷操作，所述儲能模塊根據(jù)所述開關(guān)管的通斷對所述儲能元件進(jìn)行相應(yīng)的充電工作，且在所述開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時對所述儲能元件充電，而在所述開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時通過所述電流弓I導(dǎo)模塊對所述儲能元件進(jìn)行充電。本發(fā)明的另一目的還在于提供一種MPPT太陽能控制器，所述MPPT太陽能控制器包括脈寬調(diào)制器以及上述的N-BUCK變換器。本發(fā)明通過在太陽能MPPT控制器中采用包括開關(guān)管、儲能模塊及電流引導(dǎo)模塊的N-BUCK變換器，由開關(guān)管根據(jù)脈寬調(diào)制器所輸出的脈寬調(diào)制信號以相應(yīng)的高低電平實現(xiàn)通斷操作，儲能模塊在開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時對儲能元件充電，而在開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時通過電流弓I導(dǎo)模塊對儲能元件進(jìn)行充電，進(jìn)而在輸入電壓相同時使開關(guān)管工作于較低的占空比條件下實現(xiàn)輸出電壓等于現(xiàn)有技術(shù)需要在高占空比條件下所輸出的電壓，N-BUCK變換器與現(xiàn)有的BUCK變換器相比不易達(dá)到飽和點(即最大占空比)，現(xiàn)有的BUCK變換器因占空比飽和無法實現(xiàn)MPPT功能，而N-BUCK變換器仍然可以實現(xiàn)MPPT功能，其提高了光伏模組的MPPT控制器的輸入電壓可跟蹤的有效范圍，從而提升了光伏模組的轉(zhuǎn)換效率及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的實際利用效率，解決了現(xiàn)有的MPPT太陽能控制器的輸入電壓跟蹤范圍小、光伏模組的轉(zhuǎn)換效率低及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對太陽能實際利用效率低的問題。


圖1是本發(fā)明實施例提供的太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器的模塊結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明一實施例提供的太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器的示例電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明另一實施例提供的太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器的示例電路結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明實施例所提供的太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器與儲能電容Cl的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例所提供的太陽能MPPT控制器與蓄電池的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實施例通過在太陽能MPPT控制器中采用包括開關(guān)管、儲能模塊及電流引導(dǎo)模塊的N-BUCK變換器，由開關(guān)管根據(jù)脈寬調(diào)制器所輸出的脈寬調(diào)制信號以相應(yīng)的高低電平實現(xiàn)通斷操作，儲能模塊在開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時對儲能元件充電，而在開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時通過電流引導(dǎo)模塊對儲能元件進(jìn)行充電，進(jìn)而在輸入電壓相同時使開關(guān)管工作于較低的占空比條件下實現(xiàn)輸出電壓等于現(xiàn)有技術(shù)需要在高占空比條件下所輸出的電壓，N-BUCK變換器與現(xiàn)有的BUCK變換器相比不易達(dá)到飽和點(即最大占空比)，現(xiàn)有的BUCK變換器因占空比飽和無法實現(xiàn)MPPT功能，而N-BUCK變換器仍然可以實現(xiàn)MPPT功能，其提高了光伏模組的MPPT控制器的輸入電壓可跟蹤的有效范圍，從而提升了光伏模組的轉(zhuǎn)換效率及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的實際利用效率。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器的模塊結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分，詳述如下N-BUCK變換器100與太陽能MPPT控制器的脈寬調(diào)制器200及外部的儲能元件300連接，脈寬調(diào)制器200對N-BUCK變換器100的電流或電壓進(jìn)行檢測并輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號；N-BUCK變換器100包括電容C2，電容C2連接于儲能元件300的正極和負(fù)極之間。N-BUCK變換器100還包括開關(guān)管101、儲能模塊102及電流引導(dǎo)模塊103。
開關(guān)管101的輸入端接輸入直流電DC的正極+，開關(guān)管101的控制端和輸出端分別與脈寬調(diào)制器200和儲能模塊102的第一輸入端連接，儲能模塊102的第二輸入端連接電流引導(dǎo)模塊103的輸出端，儲能模塊102的輸出端和電流引導(dǎo)模塊103的輸入端分別連接電容C2的第一端和第二端，電流引導(dǎo)模塊103的輸入端還連接輸入直流電DC的負(fù)極_。開關(guān)管101根據(jù)脈寬調(diào)制器200所輸出的脈寬調(diào)制信號以相應(yīng)的高低電平實現(xiàn)通斷操作，儲能模塊102根據(jù)開關(guān)管101的通斷對儲能元件300進(jìn)行相應(yīng)的充電工作，且在開關(guān)管101處于導(dǎo)通狀態(tài)時對儲能元件300充電，而在開關(guān)管101處于關(guān)斷狀態(tài)時通過電流引導(dǎo)模塊103對儲能元件300進(jìn)行充電。在本發(fā)明實施例中，當(dāng)儲能模塊102因工藝條件的限制而在其第一輸入端處產(chǎn)生電壓尖峰，則可以在電容C2的第二端與儲能模塊102的第一輸入端之間加入一個二極管以消除電壓尖峰，因此，N-BUCK變換器還包括二極管Dl，二極管Dl的陽極和陰極分別連接電容C2的第二端和儲能模塊102的第一輸入端。如果儲能模塊102的工藝條件已達(dá)到相應(yīng)的要求且產(chǎn)生電壓尖峰小，則N-BUCK變換器中可以不使用二極管D1。圖2示出了本發(fā)明實施例提供的太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器的示例電路結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分，詳述如下在本發(fā)明實施例中，開關(guān)管101可以為MOS場效應(yīng)管、三極管、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)或者其他具備開關(guān)特性的半導(dǎo)體開關(guān)器件。而在本實施例中是以開關(guān)管101為NMOS場效應(yīng)管Ql為例進(jìn)行說明的,NMOS場效應(yīng)管Ql的漏極、柵極和源極分別為開關(guān)管101的輸入端、控制端和輸出端。作為本發(fā)明一實施例，儲能模塊102為耦合電感LI，耦合電感LI的初級線圈的同名端I與次級線圈的同名端3分別為儲能模塊102的第一輸入端和第二輸入端，耦合電感LI的初級線圈的異名端2與次級線圈的異名端4共接形成儲能模塊102的輸出端。作為本發(fā)明一實施例，電流引導(dǎo)模塊103為二極管D2，二極管D2的陽極和陰極分別為電流引導(dǎo)模塊103的輸入端輸出端。以下結(jié)合工作原理對上述的N-BUCK變換器100作進(jìn)一步說明當(dāng)脈寬調(diào)制器200所輸出的脈寬調(diào)制信號控制開關(guān)管101導(dǎo)通時，耦合電感LI的初級線圈儲能并為儲能元件300充電；而當(dāng)脈寬調(diào)制器200所輸出的脈寬調(diào)制信號控制開關(guān)管101關(guān)斷時，耦合電感LI的初級線圈的同名端I和異名端2的電位分別為負(fù)和正，則耦合電感LI的初級線圈的異名端2對儲能元件300進(jìn)行充電(耦合電感LI因制作工藝能力限制而存在漏感，則此時二極管Dl導(dǎo)通以對耦合電感LI的初級線圈的同名端I進(jìn)行電壓鉗位以克服漏感所產(chǎn)生的電壓尖峰；如果耦合電感LI的漏感小于一定值且所產(chǎn)生的電壓尖峰足夠小，則此處可以不需要二極管D1)，隨后在耦合電感LI的次級線圈釋放電能時，由次級線圈的異名端4通過儲能元件300和二極管D2至次級線圈的同名端3形成通路，以對儲能元件300進(jìn)行充電。通過上述由脈寬調(diào)制信號對開關(guān)管101的通斷進(jìn)行反復(fù)的交替控制，使開關(guān)管101工作于較低占空比的條件下依然能達(dá)到與現(xiàn)有技術(shù)相同的輸出電壓，N-BUCK變換器100與現(xiàn)有的BUCK變換器相比不易達(dá)到飽和點(即最大占空比)，現(xiàn)有的BUCK變換器因占空比飽和無法實現(xiàn)MPPT功能，而N-BUCK變換器100仍然可以實現(xiàn)MPPT功能，其提高了光伏模組的MPPT控制器的輸入電壓可跟蹤的有效范圍，從而提升了光伏模組的轉(zhuǎn)換效率及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的實際利用效率。其中，假設(shè)脈寬調(diào)制信號的占空比為D，該脈寬調(diào)制信號的周期為T，耦合電感LI中初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比為I/η，耦合電感LI的電感量為L，耦合電感LI的初級線圈的輸入直流電LDC電壓值為Vin，電容C2兩極的電壓值(即N-BUCK變換器100的輸出電壓值)為V-。當(dāng)N-BUCK變換器100工作于電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM，ContinuousConduction Mode)時,稱合電感LI的初級線圈在儲能后所流過的電流h與初級線圈的初始電流io的關(guān)系如下式所示:

權(quán)利要求
1.一種太陽能MPPT控制器的N-BUCK變換器，與所述太陽能MPPT控制器的脈寬調(diào)制器及外部的儲能元件連接，所述脈寬調(diào)制器對所述N-BUCK變換器的電流或電壓進(jìn)行檢測并輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號；N-BUCK變換器電路包括電容C2，所述電容C2連接于所述儲能元件的正極和負(fù)極之間；其特征在于，所述N-BUCK變換器還包括: 開關(guān)管、儲能模塊及電流引導(dǎo)模塊； 所述開關(guān)管的 述儲能模塊的第一輸入端連接，所述儲能模塊的第二輸入端連接所述電流引導(dǎo)模塊的輸出端，所述儲能模塊的輸出端和所述電流引導(dǎo)模塊的輸入端分別連接所述電容C2的第一端和第二端，所述電流引導(dǎo)模塊的輸入端還連接所述輸入直流電的負(fù)極； 所述開關(guān)管根據(jù)所述脈寬調(diào)制器所輸出的脈寬調(diào)制信號以相應(yīng)的高低電平實現(xiàn)通斷操作，所述儲能模塊根據(jù)所述開關(guān)管的通斷對所述儲能元件進(jìn)行相應(yīng)的充電工作，且在所述開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時對所述儲能元件充電，而在所述開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時通過所述電流弓I導(dǎo)模塊對所述儲能元件進(jìn)行充電。
2.如權(quán)利要求1所述的N-BUCK變換器，其特征在于，所述開關(guān)管為MOS場效應(yīng)管、三極管或絕緣柵雙極型晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的N-BUCK變換器，其特征在于，所述儲能模塊為耦合電感LI，所述耦合電感LI的初級線圈的同名端與次級線圈的同名端分別為所述儲能模塊的第一輸入端和第二輸入端，所述耦合電感LI的初級線圈的異名端與次級線圈的異名端共接形成所述儲能模塊的輸出端。
4.如權(quán)利要求1所述的N-BUCK變換器，其特征在于，所述儲能模塊為耦合電感L2，所述耦合電感L2的初級線圈的同名端與次級線圈的異名端共接形成所述儲能模塊的第一輸入端，所述耦合電感L2的初級線圈的異名端和次級線圈的同名端分別為所述儲能模塊的輸出端和第二輸入端。
5.如權(quán)利要求1所述的N-BUCK變換器，其特征在于，所述電流引導(dǎo)模塊為二極管D2，所述二極管D2的陽極和陰極分別為所述電流引導(dǎo)模塊的輸入端和輸出端。
6.如權(quán)利要求1所述的N-BUCK變換器，其特征在于，所述N-BUCK變換器還包括二極管D1，所述二極管Dl的陽極和陰極分別連接所述電容C2的第二端和所述儲能模塊的第一輸入端。
7.一種太陽能MPPT控制器，包括脈寬調(diào)制器，其特征在于，所述太陽能MPPT控制器還包括如權(quán)利要求1至6任一項所述的N-BUCK變換器。
全文摘要
本發(fā)明適用于光伏發(fā)電及電力電子變換領(lǐng)域，提供了一種太陽能MPPT控制器及其N-BUCK變換器。本發(fā)明由開關(guān)管根據(jù)脈寬調(diào)制器所輸出的脈寬調(diào)制信號以相應(yīng)的高低電平實現(xiàn)通斷操作，儲能模塊在開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時對儲能元件充電，而在開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時通過電流引導(dǎo)模塊對儲能元件進(jìn)行充電，進(jìn)而在輸入電壓相同時使開關(guān)管工作于較低的占空比條件下實現(xiàn)輸出電壓等于現(xiàn)有技術(shù)需要在高占空比條件下所輸出的電壓，N-BUCK變換器與現(xiàn)有的BUCK變換器相比不易達(dá)到最大占空比，在現(xiàn)有的BUCK變換器因占空比飽和無法實現(xiàn)MPPT功能時仍可實現(xiàn)MPPT功能，提高了光伏模組MPPT控制器的輸入電壓可跟蹤的有效范圍，提升了光伏模組的轉(zhuǎn)換效率及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的實際利用效率。
文檔編號H02M3/155GK103078499SQ20131001271
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者馬化盛, 張化偉, 廉詩航, 沈世榮 申請人:深圳桑達(dá)國際電子器件有限公司