楊 煬 ，劉 青 ，王子才 ，張 華

(1.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳 518057)

0 引言

太陽能發(fā)電，也稱光伏發(fā)電，是利用半導體材料的光伏效應，吸收太陽光中光子的能量并轉換為電能，是一種易于獲取、清潔環(huán)保的可再生能源。近年來，隨著新型太陽能電池的出現(xiàn)以及傳統(tǒng)太陽能電池生產工藝的改進，太陽能電池的轉換效率在不斷提高[1]，且生產成本也在逐步降低，與之配套的電力電子設備方案日趨成熟可靠。在光伏發(fā)電補貼政策力度逐漸減弱的大環(huán)境下，光伏裝機容量仍在快速增加，也從側面說明光伏發(fā)電經濟性能已趨近于傳統(tǒng)發(fā)電方式[2-3]。

除了用于并網發(fā)電，太陽能發(fā)電由于其使用限制較少且隨處可及，在個人消費電子、戶外探險、單兵裝備場合作為戶外能源補充具有顯著優(yōu)勢。目前光伏發(fā)電的電源變換器研究主要集中在單臺幾千瓦到百千瓦量級，對于移動便攜式應用中需要的幾十瓦到百瓦級的電源變換器研究較少。并網光伏發(fā)電中，太陽能電池安裝在固定的地點，其受照情況穩(wěn)定，即使附近有遮擋物，其遮擋陰影也是規(guī)律性緩慢變化的，可通過太陽能電池陣列的合理配置降低遮擋影響[4-5]，并采用最大功率點跟蹤方法使太陽能電池陣列持續(xù)以最大功率輸出[6-7]。在移動便攜式應用中，存在光照情況變化頻繁、太陽能電池陣列易受隨機遮擋等特點。對此，已有研究團隊研發(fā)了一些針對性的產品[8-9]。

本文首先分析移動便攜式光伏發(fā)電中陰影遮擋造成的影響以及減少該影響所應采用的太陽能電池陣列配置方式，并據此設計適用的電源變換器總體方案。采用LT8490 作為控制器，設計了一款具有最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)功能的微型太陽能充電模塊，提出了一種拓展LT8490 輸入電壓下限的方法，最終通過實驗測試，驗證了該方法的可行性。

1 太陽能電池陣列配置和電源變換器方案

1.1 太陽能電池配置方案

在典型的光伏并網發(fā)電應用中，會將上百片太陽能電池片串聯(lián)起來組成模組，再將數個模組串聯(lián)起來向電源變換器提供數百伏的輸入電壓——較高的輸入電壓意味著同等功率下更低的電流和損耗。當太陽能電池陣列中個別電池片受到遮擋時，輸出功率的損失比例并不直接等于遮擋面積的比例[10-13]。為了避免串聯(lián)電路中個別電池片受遮擋時，由于其電流下降而導致整個串聯(lián)電路輸出電流受到鉗制，影響輸出功率，通常會在電池片正負極反向并聯(lián)二極管，使得未受遮擋的電池片產生的電流可以通過該旁路二極管流過。每一片太陽能電池均配置旁路二極管會大幅增加模組生產的復雜度和成本，實際工程中，考慮硅電池片的反向擊穿電壓，通常每20至30 片電池片跨接一個旁路二極管[14-15]。

在移動便攜式太陽能發(fā)電應用中，由于太陽能電池的位置、朝向、受部分遮擋情況都可能快速變化，而且這類應用中太陽能電池串聯(lián)數并不會太多，因此，為避免受照較弱或被遮擋的太陽能電池片抑制整個串聯(lián)的電池串發(fā)電，需要使用旁路二極管，且每個旁路二極管跨接的電池片數量不能太多。圖1 給出了12 片太陽能電池片組成的陣列，按照不同的串并聯(lián)以及旁路二極管配置方式互連，當一片電池片受到遮擋時，整個陣列的P-V特性曲線。從曲線對比中可以看出，當串聯(lián)數較高時，單片遮擋即會導致輸出功率的大幅度下降，圖1(a)中，12串1 并的配置方案功率損失約為89%；旁路二極管的引入可以大幅減少部分遮擋對太陽能電池陣列總輸出功率的影響，圖1(b)采用每3 片電池片跨接1 個旁路二極管的方案，在12 串1 并的情況下，功率損失為34%。但是，在串聯(lián)數較低，即將更多的電池片并聯(lián)一起的情況下，即使不使用旁路二極管，由于受遮擋電池片只影響其所在串聯(lián)回路，不對其他回路造成影響，因此陣列總功率損失甚至比配置了旁路二極管的方案還要低。因此，在移動便攜式太陽能發(fā)電應用中，采用低串聯(lián)數、高并聯(lián)數、無旁路二極管的配置方案，盡管電流增大導致后級功率變換器的轉換效率會有所降低，但仍可在復雜多變的光照條件中輸出更多的功率，同時不配置旁路二極管也降低了生產制造復雜度。

1.2 拓撲選擇與電源變換器方案

圖1 不同配置方式下的太陽能電池陣列P-V 曲線

多結太陽能電池的單片開路電壓雖然較高，但由于成本原因，多用于航天或聚光式光伏發(fā)電[16]。單結太陽能電池的開路電壓通常為0.5～1.1 V，在串聯(lián)數較少的情況下，電源變換器的輸入電壓也會很低，需采用具有升壓能力的功率拓撲。同時，考慮到實際使用中對多種太陽能電池模組的適配性，以及單節(jié)鋰電池系統(tǒng)中的電池電壓可能低于輸入電壓，所以選擇四開關Buck-Boost(Four Switches Buck-Boost，F(xiàn)SBB)升降壓拓撲，Buck 與Boost 級聯(lián)后共用電感，具有升降壓功能。其拓撲如圖2所示。

圖2 升降壓串聯(lián)調節(jié)式同步Buck-Boost 拓撲

根據變換器四個開關管的開關狀態(tài)不同，變換器有三種工作模式：降壓模式、升壓模式、升降壓模式。當輸入電壓顯著高于輸出電壓時，變換器運行于降壓模式。開關管Q4一直工作在導通狀態(tài)，Q3管一直工作在斷開狀態(tài)，僅通過Q1、Q2的開關動作實現(xiàn)端口電壓的調節(jié)。Q1、Q2驅動信號互補，該模式下電路完全等效于同步Buck電路，電感電流連續(xù)，輕載時電路處于強制連續(xù)模式。變換器輸出電壓和輸入電壓關系滿足：

式中，Vout為輸出電壓；D1為開關管Q1驅動信號占空比；Vin為輸入電壓。

當輸出電壓顯著高于輸入電壓時，變換器運行于升壓模式。開關管Q1一直工作在導通狀態(tài)，Q2管一直處于斷開狀態(tài)，僅通過Q3、Q4的開關動作實現(xiàn)端口電壓的調節(jié)。Q3、Q4驅動信號互補，該模式下電路完全等效于同步Boost 電路，電感電流連續(xù)。變換器輸出電壓和輸入電壓關系滿足：

式中，D3為開關管Q3驅動信號占空比。

當輸入電壓接近輸出電壓時，變換器進入降壓-升壓模式。四個開關管均處于開關狀態(tài)，Q1、Q2驅動信號互補和Q3、Q4驅動信號互補的前提下，分析電感的伏秒平衡關系，變換器輸出電壓和輸入電壓關系滿足：

該拓撲結合了同步Buck 電路和同步Boost 電路，可實現(xiàn)升降壓；僅有一個磁性器件，電路結構簡單，功率變換效率高，且將二極管替換為MOS 管，降低了導通損耗；電路結構完全對稱，可實現(xiàn)能量的雙向流動。

在搜索和跟蹤太陽能電池陣列最大功率點的過程中，太陽能輸出功率會存在波動，需要在電源變換器輸出級配置能量緩沖池，以保證負載能獲得一個較為穩(wěn)定的電壓。一般可將充電電池連接到變換器輸出端實現(xiàn)能量緩沖的功能。系統(tǒng)總體方案如圖3 所示。

圖3 移動便攜是太陽能充電系統(tǒng)總體方案

2 電源變換器電路設計

2.1 支持MPPT 的升降壓控制器原理與設計

LT8490 是Analog Devices 公司在其LT8705 同步四開關Buck-Boost 控制器的基礎上，加入適用于光伏面板的MPPT 算法邏輯，利用多路ADC 轉換器對輸入輸出端口的電壓和電流進行采樣，通過一路PWM 對輸入工作點電壓進行控制的高集成小型化光伏充電控制器。

LT8490 采用擾動觀察法持續(xù)進行MPPT，為了解決光伏面板受部分遮擋時P-V 曲線存在多個峰值的問題，控制邏輯每隔180 s 進行一遍全輸入范圍掃描，尋找最大功率點，一次掃描耗時約2 s，彌補了擾動觀察法在多個高功率點時可能陷入局部極大功率點的弊端。

其內部采用四個誤差放大器按“或”的關系對輸入輸出的電壓、電流進行控制，輸出端口可以方便地實現(xiàn)恒流恒壓控制，這種方式使其適用于大部分種類電池的充電。尤其是對目前最為常用的鋰電池，可以做到電池電量低時恒流快速充電，電量升高后轉恒壓充電防止造成電池容量的不可逆損失。同時，LT8490 內部ADC 可通過電芯上的NTC 電阻感知電芯溫度，對充電終壓進行補償。

由于沒有內置功率MOSFET 管，LT8490 在極小的QFN 封裝(7 mm×11 mm×0.75 mm)里實現(xiàn)了上述功能，為成品功率變換器的微型化以及散熱設計帶來了便利，同時也能方便地針對具體應用對功率管進行選型。

LT8490 的輸入電壓反饋網絡及片內處理電路如圖4所示。RFB1與RFB2組成的電阻分壓網絡，分壓后通過FBIN 管腳送入LT8490 與內部1.205 V 參考電壓作比較，形成輸入電壓閉環(huán)控制回路。進行MPPT 的時候，片內控制邏輯通過FBIW 管腳輸出幅值為3.3 V 的PWM波，經過RDAC1和RDAC2注入到電阻分壓網絡，從而改變輸入電壓(即太陽能電池陣電壓)穩(wěn)態(tài)工作點。當輸入電壓閉環(huán)控制達到穩(wěn)態(tài)后，F(xiàn)BIN 管腳電壓約為1.205 V，忽略FBIN 和FBIR 管腳上的漏電流，根據基爾霍夫電流定律，流過RFB1、RFB2和RDAC2的電流之和為零，即：

式中，DIW為FBIW 管腳上的PWM 波占空比。

圖4 LT8490 輸入電壓反饋網絡及片內處理電路

由此可得，輸入電壓Vin與占空比DIW的關系為：

LT8490 進行最大功率點掃描和跟蹤時，DIW在0%至100%之間變化，根據電阻網絡的阻值配置，輸入電壓也將在設定的范圍內隨動，同時，片上邏輯通過VINR 和IIR管腳監(jiān)視拓撲輸入電壓和電流，從而確定最大功率點。

LT8490 的輸出電壓反饋網絡及片內處理電路與輸入電壓類似，片上邏輯通過FBOW 管腳輸出PWM 波控制輸出電壓，實現(xiàn)蓄電池預充電、恒壓充電、浮充以及充電電壓溫度補償功能。

2.2 拓展LT8490 輸入電壓下限

LT8490 數據手冊中給出的工作時輸入電壓范圍是6～80 V，輸出電壓范圍是1.3～80 V。為適應移動便攜式太陽能發(fā)電應用中太陽能電池陣串聯(lián)數較少、輸入電壓低的需求，本文提出一種旁路供電的方法拓展LT8490輸入電壓下限。其原理框圖如圖5 所示。

圖5 輸入電壓下限拓展原理框圖

根據LT8490 內部框圖，其供電管腳VIN將連接到片內6.35 V 的線性穩(wěn)壓器，產生INTVcc 電壓供片內使用，并進一步通過兩個片內穩(wěn)壓器產生更低的電壓供片內控制邏輯電路使用。改變原來把太陽能電池陣列輸出電壓連接到VIN管腳的方案，將太陽能電池陣列輸出電壓通過一個小功率高效升壓電路，升壓至10 V 后連接到VIN為片內的控制電路、邏輯電路等提供工作電壓，從而使得LT8490 在輸入電壓低于6 V 時仍可正常工作。根據前面分析的LT8490 工作原理，拓展輸入電壓下限后，根據以下兩式配置輸入電壓反饋控制網絡：

式中，VinMAX、VinMIN分別為MPPT 掃描時太陽能電池陣列電壓的最大值、最小值。

芯片的VIR 管腳用于測量輸入電壓絕對值，從而實現(xiàn)MPPT、低功率發(fā)電模式等功能。拓展輸入電壓下限后，需按比例修改VIR 管腳連接的分壓電阻網絡比例，令芯片認為輸入電壓大于10 V，以繞開片內低壓保護、低功率發(fā)電模式等功能，使得LT8490 保持在正常工作狀態(tài)。

3 測試結果與分析

按照本文設計制作的移動便攜式低輸入電壓的微型太陽能充電模塊外包絡尺寸為40 mm×40 mm×13 mm，實物如圖6 所示。

圖6 移動便攜式低輸入電壓微型太陽能充電模塊實物圖

采用Agilent E4360A 太陽能電池陣列模擬器、鋰電池搭建測試平臺對該充電模塊進行測試，其輸入端（即太陽能電池陣列輸出端）波形如圖7 所示。圖中記錄的是一次全輸入范圍最大功率點掃描的過程。從波形可見，經過輸入電壓拓展后的LT8490 充電模塊，輸入端電壓從設定的開路電壓5.5 V 逐漸變化到2.8 V，并最終穩(wěn)定在最大功率點電壓處，在實際使用中可以減少太陽能電池陣列的串聯(lián)數，降低移動中陰影遮擋、受照不均勻造成的功率損失。

圖7 輸入電壓拓展的充電模塊輸入端電壓波形(全局掃描時)

4 結論

本文設計了一款采用LT8490 控制器的太陽能充電模塊，功率部分為四開關Buck-Boost 升降壓拓撲，可方便應用于含有電池的便攜式光伏發(fā)電場合。通過分析內部工作原理，提出了一種采用外部Boost 電路向片內控制、邏輯電路供電并修改采樣電路，以拓展模塊最低輸入電壓能力的方法。實測結果表明，該方法可行有效，可滿足移動便攜應用中對微型太陽能充電模塊的需求。