小型太陽能PV電源的串聯與並聯線性穩壓

作者 : Stephen Woodward，EDN特約作者

太陽能陣列控制器性能明顯受益於最大功率點追蹤(MPPT)和開關式穩壓技術，而小型電陽能電池陣列通常需要某種形式的穩壓…

太陽能光伏(PV)陣列似乎每天都在變得更便宜也更高效，這使其得以在再生能源和遠端供電應用中越來越實用。儘管如此，任何給定陣列所產生的電壓都會隨著負載、入射光強度和溫度而顯著變化，因此通常就需要某種形式的穩壓。

如同之前的一篇設計實例「無需多工器最大化功率的太陽能陣列控制器」(Solar-array controller needs no multiplier to maximize power)所述，陣列性能明顯受益於最大功率點追蹤(MPPT)和開關式穩壓技術。

但是對於小型陣列而言，MPPT和開關式電路的額外複雜性似乎就不合理了，因此線性穩壓就成為了更好且更簡單的選擇。本設計實例將針對此類系統解讀，重點關注串聯穩壓器拓撲與並聯穩壓器拓撲的相對優勢。

我們首先假設有一個小型太陽能電池陣列，它針對1A、12V也即12W輸出(在完全直射的陽光下約為1kW/m²)進行了最佳化，其光電轉換效率為20%，因此其標稱面積約為0.06m²或100in²。然後再為其添加一個線性穩壓電路，從而在負載電流從0到1A變化時保持恒定的12V輸出。

圖1給出了一個合適的串聯穩壓器，而圖2則是一個相應的並聯拓撲。為便於比較並聯穩壓相對於串聯穩壓的優勢，兩種穩壓器所採用的檢測/控制電路相同，均基於古老的LM10組合基準+運算放大器。

圖1：適用於小型太陽能電池陣列的串聯線性穩壓器。

圖2：適用於小型太陽能電池陣列的並聯線性穩壓器。

如圖1和圖2所示，LM10 200mV內部基準(接腳1+8)提供輸入偏置電流補償的R1=R2·R3/(R2+R3)，從而驅動運算放大器(op amp)的反相輸入(接腳2)，而同相輸入(接腳3)則透過60:1的R2:R3分壓器(Vsetpoint=200mV(R3/R2+1))連接到Vout。因此，當Vout＜Vsetpoint時，運該算放大器的輸出(接腳6)將向負擺動，而當Vout＞Vsetpoint時則向正擺動。

在圖1 (串聯穩壓器)中，接腳6透通過限流電阻R4連接到D45 PNP傳輸功率電晶體的基極，因此當Vout＜Vsetpoint時就會使驅動電流和負載電流增加，而當Vout＞Vsetpoint時則會使它們減小。在圖2 (並聯穩壓器)中，接腳6對D44 NPN並聯電晶體的基極提供驅動，因此當Vout＞Vsetpoint時就會使更多的陣列電流流入到地，而當Vout＜Vsetpoint時則會更少。

那麼，哪種類型的穩壓(並聯或串聯)更好，在什麼情況下？又是為什麼呢？

為了回答這個一般性問題，必須考慮以下三類特定的電路性能：

1. 穩壓器效率(在峰值需求時向負載提供陣列功率的最大部份)；
2. 散熱管理挑戰(主要由功率電晶體散熱器所需的熱容量所決定，進而由最大電晶體功耗所決定)；
3. 穩壓方式對太陽能電池陣列溫度的影響，進而對陣列轉換效率的影響。

穩壓器效率

當D45傳輸電晶體導通並接近飽和時，串聯拓撲的滿載(1A)效率受三個因素所限制：

1. LM10和R2R3分壓器的電流消耗=312μA (典型值)
2. 在Ic=1A=10mA (典型值)條件下D45的基極驅動
3. 在Ic=1A=100mV (典型值)條件下D45的飽和壓降

將這些損耗相加，可估計出典型效率因數為98%。

相形之下，在並聯拓撲中，D44功率電晶體在滿載時完全關斷，陣列和輸出之間的連接是直接相連，因此只留下上述三個因素中的一個來競爭輸出電流，那就是第一項，312μA LM10電流。這就可得到近乎完美的99.97%的效率。

因此，就效率而言，串聯非常好，但並聯(實際上)是完美的。請注意，該結果與串聯穩壓的效率通常要勝過並聯穩壓的普遍預期不同。

散熱管理挑戰

D45系列傳輸電晶體的最大散熱約為1.33W，發生在0.66A負載電流下，可由小型夾式散熱器來搭配。相比之下，D44並聯電晶體的最大散熱發生在零負載電流時，並且要大得多，約為4.5W，這就需要使用又大又重的擠壓式散熱器，從而在自然對流和輻射條件下可接受地抑制溫升(約40℃)。

根據這個標準，串聯穩壓就是明顯的贏家，其(冷卻)因數要大於3。

穩壓方式對太陽能電池陣列溫度的影響

太陽能電池陣列所吸收的總太陽能只能透過兩種方式離開：1. 轉換為電能並輸送到所連接的電路；2. 陣列所散發的熱量。熱力學第一定律(First Law of Thermodynamics)規定後兩者之和必須始終完全等於前者。因此，相連負載所接受的電能越少，陣列必須以熱量的形式釋放的電能就越多，這就不可避免地會使陣列的溫度增加。

串聯穩壓會導致大部份未被負載所接受的電能被陣列耗散(要記住D45要保持多冷)，而並聯穩壓則會耗散D44電晶體和R4中所拒絕的電能。因此，在有部份負載時，效率為20%的並聯穩壓面板，其工作溫度要比串聯穩壓面板的溫度低10℃。太陽能電池陣列的轉換效率隨溫度的升高每℃要下降0.3%至0.4%，因此在某些情況下，並聯穩壓面板的效率可能比串聯穩壓面板高3%或4%。

按照這個標準，並聯穩壓方式就顯然非常優越。

總而言之，我們看到了一個大雜燴：並聯穩壓是否透過上述三個因素中的兩個擊敗串聯穩壓而贏得了設計競賽？這要視情況而定。設計人員在選擇穩壓器類型時平衡相互衝突的標準將取決於相互競爭的優先順序，這時特定應用的詳細要求就會使它們自行理清。這就是我們設計工程師賺大錢的原因！

(參考原文：Series vs shunt linear voltage regulation for small solar-photovoltaic power supplies，by Stephen Woodward)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年4月號雜誌

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