利用智能功率转换技术利用太阳能

用太阳能电池为镍镉或镍氢电池充电。该电路从太阳能电池阵列中提取最大功率，为电池组充电。它采用MAX856升压转换器和MAX982双通道比较器作为基准。

作为一种电源，太阳比典型的电池具有一些令人印象深刻的优势：它产生几乎无限的能量，不需要充电，预计还能再持续五十亿年左右。今天更高效，更便宜的太阳能电池提供了一种实用的方法，可以将太阳能转化为电能来运行我们的小工具和gismos（见附录，从光子到电子）。在这张阳光明媚的图片中，唯一的云是......好吧，云。由于它们经常遮挡太阳，因此很难设计出能够可靠地提供电力的系统。

典型单晶硅太阳能电池的输出电流直接取决于入射阳光的量（图 1）。例如，典型的爱好级信用卡大小的硅电池具有0.55V的开路电压。当您从电池中汲取电流时，内阻会导致电压降;但是，当光能降至支持输出负载所需的水平以下时，电池电流限制在几乎恒定的电压。对于一个全太阳的光照水平（太阳辐照度为1kW / m²），电池提供0.3A的典型短路电流。

图1.太阳能电池的可用电流输出与入射光能量成正比，但电池的开路电压几乎是恒定的。

最大输出功率出现在从恒压到恒流的转换时，通常为0.484V，在一个完整的太阳下为0.25至0.275A。对于大多数应用来说，这个0.484V太低了，因此太阳能电池板通常以串联/并联组合的方式连接电池，在大约12V时提供几安培的电流。这样的输出对于许多应用都很有用，假设只要应用处于活动状态，就可以获得充足的阳光。不幸的是，在大多数地方很难实现这一要求。变化的阳光对开路电压的影响较小，但对最大可用电流有直接影响（图 1）。该特性对于设计可在任何给定时间优化可用功率使用的电子设备至关重要。

大多数应用包括中间储能设备，例如可充电铅酸或镍镉（NiCd）电池，以确保始终可用的电源。当光线充足时，太阳能电池为电池充电，然后为负载提供稳定的电源。直接从太阳能电池板（通过串联二极管）为电池充电是困难的，或者至少效率低下，因为电池电压随着电池充电而变化很大。

从太阳能电池板获取所有可用能量除了电池外，还需要开关模式升压或降压转换器和电池充电器。转换器必须确保从太阳能电池板获取的每一点能量都有效地存储在电池中以备将来使用。开关模式转换器工作在两个周期内。它首先将电感器连接到电源，从而允许电感电流的积累，从而将能量存储在电感器中。在第二个周期中，电流路径的变化使电感器能够将其累积的能量传递到负载。负载电压可以高于或低于电感器电源的负载电压。

将电感器直接连接到太阳能电池板效率低下。根据光照水平，面板的输出电流能力范围从微安到几安培不等。更好的方法是将储能电容器连接到太阳能电池板。通过监视该电容器上的电压，只有在面板输出最佳时，即0.484V乘以面板中串联电池（列）的数量，才能打开开关模式转换器。该输入足以启动转换器，电容为电感电流提供低阻抗路径。此外，该电容器支持转换器工作的完整周期，而不允许转换器的输入电压降至其工作电压以下。当电容器电压降至预定水平（转换器的最低工作电压或更高）以下时，转换器关断，直到电容器再次充电至最佳电压。

在图2中，具有迟滞的比较器控制转换器的关断引脚。只要储能电容器的电压低于太阳能电池板的最佳负载电压（0.484V乘以串联电池数），转换器就处于关断状态。当电容电压达到此最佳负载电压时，转换器使能，直到电容电压下降到比较器迟滞带的下限。

图2.用于太阳能电池板功率转换的DC/DC转换器的输入包括面板、储能电容器和比较器/基准电路，该电路仅在足够功率可用时使能转换器。

只要电容器上有足够的电荷，转换器就会在突发工作，只有当储能电容器电压值对所有水平的阳光都最佳时，转换器才会为电池充电。实际上，太阳能电池板的负载（开关模式转换器）会自动调整到太阳能电池板的最佳工作区域（其V/I限制）。太阳能电池板空载电压与电池电压的比率决定了转换器动作是必须升压还是降压。

如果太阳能电池板空载电压（由串联电池的数量决定）低于放电电池的电压，请选择升压转换器。如果负载下的面板电压高于充满电的电池电压，请选择降压转换器。否则，重新排列电池或太阳能电池的数量，以找到满足这些条件之一的电池和太阳能电池板的组合。

降压型转换器在关断期间没有从输入到输出的直接路径，但升压配置始终具有直流路径（通过电感和输出二极管），包括关断。请注意，升压转换器在输出短路时没有电流限制。太阳能电池板是限流的，因此在这种情况下主要担心的可能是电池短路，这可能需要其他电路保护手段。

电池接口

检查转换器的输出侧会引发一些其他问题。所需的输出电压不是恒定的，而是取决于电池的充电条件。充电时，除非电池已经充满电，否则您始终希望应用快速充电。在快速充电期间，转换器作为电流源工作，将电感能量转发到电池，而无需检查输出电压。因此，电池的快速充电电流要求应决定电感和FET的检流电阻的值。

终止快速充电很困难，至少有两个原因。达到一定的电池电压后，上述突发转换方案并未暗示下一个转换周期何时发生。如果它发生在几毫秒内，您可能应该停止快速充电。如果它发生在数小时或数天内（当阳光稀少时），则应继续快速充电，因为否则电池可能会在下一个周期之前很久就耗尽。另一个困难源于不频繁的突发电流：在这种情况下，您无法检测到零或负dV / dt。

一种适用于铅酸和镍镉电池的方法是使用另一个比较器监控输出电压，当电压达到上限时禁用开关，当电压下降到预定水平以下时启用开关。第三级检测还可以使电池的浮电流（涓流）充电（图3）。为放电的电池充电时，电路施加全快充电电流，直到电压达到其上限。然后，电路禁用开关，直到电压达到下一个最低（中间）限值，从而启用涓流充电。涓流充电一直持续到电压达到其上限（关闭开关）或下限（再次启用快速充电）。

图3.DC/DC 转换器使太阳能电池板能够为可充电电池充电 （a）。比较器生成的信号使电路能够控制充电电流（b）。

具有迟滞的双通道比较器控制转换器关断以及快速充电与涓流充电的选择。为了防止电池在太阳能电池板电压变为零时放电，应将比较器电路设计为不通过其电源端子或外部电阻分压器加载电池。当太阳能电池板电压较低时，您可以从输出比较器或输入比较器控制转换器关断，并且此功能可能需要额外的逻辑。

图4中的电路从七芯太阳能电池板为三节电池充电，说明了上述想法。放电时的电池电压大于3.0V，最佳太阳能电池板输出为2.9V（最大3.8V），因此电路需要转换器（IC1).双通道比较器控制关断和充电终止。集成电路2一直接控制关断，保持转换器处于关断状态，直到太阳能电池板充电 C1至 2.9V。然后转换器变为活动状态，迟滞允许继续工作，直到电压降至2.5V以下。开启时，转换器提供其全部输出电流，仅受内部电流限制。

图4.该电路使七节太阳能电池板能够为三节镍镉电池充电。

当电池电压达到5.0V时，首先开始调节，但输出比较器（IC2乙） 终止 4.6V 的充电周期。该设计不是通过控制关断引脚来处理端接，这需要额外的逻辑，而是通过驱动3/5V选择引脚高电平的非传统方法。由于输出为4.6V，因此选择3V输出（实际为3.3V）会导致转换器关断。同样，比较器迟滞可确保转换器保持关断状态，直到电池电压降至4V。然后它恢复运行，提供一种简单的空闲充电形式，不会对电池过度充电。

由于转换器在太阳能电池板输出较低时关断，因此电池放电电流（转换器关断电流、比较器电源电流、R7/R8电流和来自肖特基二极管的反向电流）最小。肖特基反向电流在 5°C 时典型值为 25μA，在 50°C 时为 50μA 或更高，这对于某些应用来说太高了。对于这些，您可以替换开关二极管，例如1N4148，但代价是转换器效率略低。应避免输出低于输入，就像所有升压转换器一样。在这种情况下，过载或短路的电池单元会导致不受控制的直流电流从太阳能电池板流经电感器和二极管到输出端。然而，在大多数情况下，太阳能电池板中的电流限制允许电池简单地充电到3V，而不会损坏电感器。

太阳能电池板电压低于低电池电压的应用需要升压转换器，而需要更多电流（或固定内部设置确定的峰值电流以外的峰值电流）的应用需要升压控制器。太阳能电池板电压高于充满电的电池电压的应用需要降压转换器。例如，将MAX797控制器配置为电流源，内部5V线性稳压器可以为外部比较器供电。该设备非常适合从两个 12V 太阳能电池板为汽车电池充电。

这些电路和技术应确保太阳能电池板在不可预测的天气条件下高效充电。目标应用主要是中低功率，从几瓦到100瓦。充电器电路的进一步改进虽然大多数镍镉和铅酸电池不需要，但可以检测电池电流并使用该信息提供具有电压限制的恒定电流源输出。

从光子到电子

科学家在晶体管的早期制造过程中偶然发现了太阳光转化为电能，这是半导体pn结的另一个影响。当来自太阳的光子撞击硅时，它们的能量推动硅中的自由电子。通过将导线连接到硅芯片的顶部和底部，您可以形成一个电路，允许电子从电池顶部移动到底部（图 A）。

图A.太阳能电池上的光能产生在外部电路中流动的电荷载流子。

用能量大于硅带隙的光子照射硅pn结会产生空穴-电子对。对于反向偏置结，在耗尽区的扩散长度内产生的对彼此分离，并有助于外部电路中的光电流。对于无偏置结，结内部场中的电荷分离会在结上产生正向偏置。这种装置称为光伏电池。从太阳光中获取电能的光伏电池称为太阳能电池。

太阳能电池效率（光子到电子的转换）取决于从表面反射的光的比例，到达结之前吸收的部分，以及产生由结分开的有用空穴 - 电子对的部分。硅通常用于商用太阳能电池，典型效率为3%至15%。

太阳能电池按其材料分类：晶体或非晶形式的硅，或化合物半导体，后者又根据元素周期表中的元素组（II至VI组，III至V组等）进行分类（图B）。

图B.制造商用各种形式的硅和化合物半导体材料制造太阳能电池。

单晶硅太阳能电池的理论效率约为30%，在实验室条件下已达到20%以上的效率。与结晶或多晶形式不同，非晶硅具有非晶体结构，其中原子没有规则的排列模式。非晶硅太阳能电池的效率不高，但它们需要更少的硅和更少的制造能量，制造商可以生产具有更大表面积的产品。这些属性可能会导致未来廉价的非晶态太阳能电池。低成本和高效率的另一个候选者是薄膜多晶硅太阳能电池，它通过加热非晶硅使其重结晶而形成。

科学家们已经开发出各种薄膜和烧结技术来支持对复合材料的研究，如CdTe和CuInSe2，作为批量生产太阳能电池的候选材料。这些材料的转换效率范围为13%至25%。

为了使太阳能电池成为其他发电方法的经济替代品，制造商已经指导了大量的研究和改进生产方法，以提高太阳能电池的效率。最近的改进是有希望的，但到目前为止，工程师将太阳能主要用于要求适度的单一应用：远程通信设备，航海信标和照明，应急电源，以及少数情况下的本地电力供应。

审核编辑：郭婷