最大功率点追踪控制器、点追踪系统和点追踪方法

摘要

本发明公开一种最大功率点追踪控制器、最大功率点追踪系统和最大功率点追踪方法。该最大功率点追踪控制器用以控制功率转换器的输出电压，并包括：斜率检测单元，用以根据对应于输出电压的检测信号，计算输出电压是否为正趋势或负趋势，以便输出一趋势信号，其中当输出电压为正/负趋势时，趋势信号的电位为第一电压电位/第二电压电位；以及控制单元，具有第一操作模式和第二操作模式，用以分别增加和减少PWM信号的工作周期，其中当趋势信号由第一电压电位转成第二电压电位时，控制单元切换操作模式，以便进行最大功率追踪。

说明书

技术领域

本发明涉及能量转换系统，特别是涉及一种最大功率点追踪系统。 

背景技术

尽管目前再生性能源仅占全世界电力的一小部分，然而由于有限的石化燃料以及石化燃料对于环境的负面影响，因此驱使再生性能源科技向上发展，除了再生性能源快速成为可行的化石化燃料替代品，并更进一步可收集环境中的能源再加利用。 

然而，目前收集再生性能源所使用的最大功率点追踪系统是检测再生性能源的电流，或者同时检测电流和电压来追踪计算最大功率点，于是增加了电路的复杂度和花费，无法应用在能源获取上。因此，亟需一种更具效率的最大功率点追踪系统来追踪再生性能源或能源获取的最大功率。 

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种最大功率点追踪控制器，用以控制功率转换器的输出电压，包括：斜率检测单元，用以根据对应于输出电压的检测信号，计算输出电压是否为正趋势或负趋势，以便输出趋势信号，其中当输出电压为正/负趋势时，趋势信号的电位为第一电压电位一第二电压电位；以及一控制单元，具有第一操作模式和第二操作模式，用以分别增加和减少PWM信号的工作周期，其中当趋势信号由第一电压电位转成第二电压电位时，控制单元切换操作模式，以便进行最大功率追踪。 

本发明也提供一种最大功率点追踪系统，包括：功率转换器，用以根据一PWM信号，将能源收集器所输出的能量转换成输出电压，以便驱动负载；电压检测器，用以输出对应于输出电压的检测信号；以及最大功率点追踪控制器，耦接至电压检测器，用以接收检测信号，包括：斜率检测单元，根据检测信号计算输出电压是否为正趋势或负趋势，以便输出趋势信号，其中当 输出电压为正/负趋势时，趋势信号的电位为第一电压电位/第二电压电位；以及控制单元，具有第一操作模式和第二操作模式，用以分别增加和减少PWM信号的工作周期，其中当趋势信号由第一电压电位转成第二电压电位时，控制单元切换操作模式，以便进行最大功率追踪。 

本发明也提供一种最大功率点追踪方法，最大功率点追踪方法包括：在第一状态时，不切换最大功率点追踪控制器的操作模式；当功率转换器的输出电压由正趋势转变成负趋势时，由第一状态进入第二状态；在第二状态时，切换最大功率点追踪控制器的操作模式，并且进入第三状态；在第三状态，计数时脉(即时钟脉冲)周期；以及当输出信号的趋势在N个时脉周期内未转变时，由第三状态进入第二状态，并重新计数时脉周期。 

本发明也提供一种最大功率点追踪方法，包括：判断功率转换器的输出电压是否由正趋势转变成负趋势；当输出电压由正趋势转变为负趋势时，切换最大功率点追踪控制器的操作模式并开始计数时脉周期；以及检测输出电压是否在N个时脉周期内由负趋势转变成正趋势，其中当N个时脉周期后输出电压仍为负趋势时，切换操作模式。 

为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下： 

附图说明

图1是本发明的最大功率点追踪系统的一示意图； 

图2是本发明的斜率检测单元的一示意图； 

图3是本发明的输出电压N1、趋势信号N5与时间的一关系图； 

图4a是本发明的电压检测器的一实施例； 

图4b是本发明的电压检测器的一实施例； 

图4c是本发明的电压检测器的一实施例； 

图5是本发明的最大功率点追踪方法的一流程图； 

图6是本发明的趋势信号N5、操作模式与参考时脉RC的一时序图； 

图7是本发明的趋势信号N5、操作模式与参考时脉RC的另一时序图，用以说明控制单元132误判输出电压N1的趋势； 

图8是本发明的最大功率点追踪方法的另一流程图； 

图9是本发明的输出电压与输出电流的关系图； 

图10是本发明的输出电压与输出电流的另一关系图；以及 

图11是本发明的输入功率、输出功率和操作模式的波形图。 

主要元件符号说明 

100：最大功率点追踪系统； 

110：功率转换器； 

120：电压检测器； 

130：最大功率点追踪控制器； 

132：控制单元； 

131：斜率检测单元； 

140：能源收集器； 

150：负载； 

151：存储装置； 

152：电子装置； 

N1：输出电压； 

N2：负载信号； 

N3：检测信号； 

N4：PWM信号； 

N5：趋势信号； 

S1、S2、S3：状态； 

OM、OM1、OM2：操作模式； 

210、220：电压检测单元； 

230：比较单元； 

211、221：切换单元； 

212、222：转导放大器； 

213、223：积分器； 

A1、A2：放大信号； 

V1～V4：电压； 

Δt1、Δt2：时间间距； 

t11、t12、t21、t22、t31、t32、t41、t42、t51、t52、t61、t62、t1～t8：时间点； 

CK：时脉周期； 

D2：节点； 

D1：差动放大器； 

Z1、Z2：阻抗； 

MPP：最大功率点； 

Pin：输入功率； 

Pout：输出功率； 

ΔV1、ΔV2：电压差； 

RC：参考时脉； 

D+：电流增加量； 

D-：电流减少量。 

具体实施方式

以下说明是执行本发明的最佳模式。现有技术者应能知悉在不脱离本发明的精神和架构的前提下，当可作些许更动、替换和置换。本发明的范畴当视所附权利要求而定。 

图1是本发明的最大功率点追踪系统的一示意图。如图1所示，最大功率点追踪系统100包括一功率转换器(power converter)110、电压检测器(voltage sensor)120和最大功率点追踪控制器(maximum power point tracking controller)130。功率转换器110为直流-直流转换器(DC-DC converter)，或交流-直流整流器(AC-DC rectifier)搭配直流-直流转换器，但并非以此为限。详细而言，功率转换器110用以根据一脉波调变(pulse width modulation；PWM)信号N4，将一能源收集器(energy harvester)140所输出的能量转换成一输出电压N1，以便驱动一负载150，其中负载可以是存储装置151及/或一般电子装置152，能源收集器140可以是太阳能板、风力发电机、再生性能源产生器、热电装置等等，但不限于此。 

电压检测器120接收输出电压N1，输出负载信号N2至负载150，并且输出对应于输出电压N1的一检测信号N3至最大功率点追踪控制器130。在本发明实施例中，检测信号N3为电压。在某些实施例中，检测信号N3可以是电流或功率，但不限于此。 

最大功率点追踪控制器130耦接至电压检测器120，用以接收检测信号 N3，并且通过PWM信号N4控制功率转换器110的输出电压N1。最大功率点追踪控制器130具有两个操作模式(Operation mode)OM1和OM2和状态S1、S2和S3，其中操作模式OM1和OM2用以控制PWM信号N4的工作周期(duty cycle)，状态S1、S2和S3用以决定是否切换操作模式OM1和OM2。 

详细而言，最大功率点追踪控制器130包括一斜率检测单元131和一控制单元132。斜率检测单元131根据检测信号N3计算输出电压N1是否为正趋势或负趋势，以便输出趋势信号N5，其中当输出电压N1为正/负趋势时，趋势信号N5的电位为一第一电压电位(例如是高电压电位)/一第二电压电位(例如是低电压电位)。在某些实施例中，第一电压电位可以是低电压电位，第二电压电位可以是高电压电位。 

控制单元132具有操作模式OM1和OM2，用以分别增加和减少PWM信号N4的工作周期。在某些实施例中，操作模式OM1和OM2用以分别减少和增加PWM信号N4的工作周期，但不限于此。当趋势信号N5由第一电压电位转成第二电压电位时，控制单元132切换操作模式(例如由操作模式OM1切换至操作模式OM2，或者由操作模式OM2切换至操作模式OM1)，以便进行最大功率追踪。 

图2是本发明的斜率检测单元的一示意图。图3是本发明的输出电压N1、趋势信号N5与时间的一关系图。如图2所示，斜率检测单元131包括电压检测单元210和220以及比较单元230。电压检测单元210于一时间点t21，检测检测信号的强度长达一时间间距Δt1(参考图3)，以便输出放大信号A1。电压检测单元220于一时间点t11，检测检测信号的强度长达一时间间距Δt1，以便输出放大信号A2。比较单元230根据放大信号A1与A2的差，计算输出电压N1在时间间距Δt2内的趋势，并且根据输出电压N1的趋势决定趋势信号N5的电位。 

详细而言，电压检测单元210包括切换单元211、转导放大器212和积分器213。切换单元211于时间点t21起为导通状态长达时间间距Δt1。转导放大器212耦接至切换单元211，用以将检测信号N3的电压转成电流。积分器213耦接至转导放大器212，用以在时间间距Δt1内将检测信号N3的电流积分成电压，以便输出放大信号A1。相似地，电压检测单元220包括切换单元221、转导放大器222和积分器223(未绘出)，电压检测单元220与电压检测单元210的特征相同，因此不再赘述。 

电压检测单元220与电压检测单元210不同的是，切换单元221于时间点t11起为导通状态长达时间间距Δt1，因此积分器223输出放大信号A2。在某些实施例中，积分器213与223可以是电容，但不限于此。比较单元230计算放大信号A1与A2的差，便可得到输出电压N1在时间点t11至时间点t21的趋势。举例来说，若放大信号A1减放大信号A2的值为正值，则输出电压N1在时间点t11至时间点t21为正趋势。若放大信号A1减放大信号A2的值为负值，则输出电压N1在时间点t11至时间点t21为负趋势。 

图3是本发明的输出电压N1、趋势信号N5与时间的一关系图。如图3所示，电压检测单元210于时间点t21至时间点t22积分输出电压N1取得放大信号A1。电压检测单元220于时间点t11至时间点t12积分输出电压N1取得放大信号A2。比较单元230将放大信号A1减放大信号A2后得到电压差ΔV1。由于电压差ΔV1(电压V2大于电压V1)为正值，换言之，输出电压N1在时间点t11和时间点t21之间为正趋势，因此斜率检测单元131所输出的趋势信号N5为第一电压电位。在本发明实施例中，第一电压电位为高电压电位(例如1)。在某些实施例中，第一电压电位可以是低电压电位(例如0)，但不限于此。 

电压检测单元210于时间点t51至时间点t52积分输出电压N1取得放大信号A1。电压检测单元220于时间点t41至时间点t42积分输出电压N1取得放大信号A2。比较单元230将放大信号A1减放大信号A2后得到电压差ΔV2。由于电压差ΔV2(电压V3大于电压V4)为负值，换言之，输出电压N1在时间点t41和时间点t51之间为负趋势，因此斜率检测单元131所输出的趋势信号N5为第二电压电位。在本发明实施例中，第二电压电位为低电压电位(例如0)。在某些实施例中，第二电压电位可以是高电压电位(例如1)，但不限于此。 

图4a是本发明的电压检测器的一实施例。如图4a所示，电压检测器120为一节点D2，分别连接输出电压N1、负载信号N2和检测信号N3。 

图4b是本发明的电压检测器的另一实施例。如图4b所示，电压检测器120为一阻抗Z1，具有一第一端耦接输出电压N1和检测信号N3，一第二端耦接负载信号N2。 

图4c是本发明的电压检测器的另一实施例。如图4b所示，电压检测器120为一阻抗Z2和一差动放大器D1。阻抗Z2具有一第一端接收输出电压 N1以及一第二端耦接负载150。差动放大器D1具有一第一输入端耦接阻抗Z2的第一端并且接收输出电压N1、一第二输入端耦接阻抗Z2的第二端与负载150以及一输出端用以输出检测信号N3。 

图5是本发明的最大功率点追踪方法的一流程图，用以描述有限状态机(finite state machine，FSM)系统。如图5所示，在状态S1时，不切换最大功率点追踪控制器130的操作模式(例如操作模式OM1或OM2)。举例来说，假设进入状态S1之前，最大功率点追踪控制器130操作在操作模式OM1。当进入状态S1之后，最大功率点追踪控制器130仍然操作在操作模式OM1，增加PWM信号N4的工作周期。 

在状态S2时，切换最大功率点追踪控制器130的操作模式，并且进入状态S3。举例来说，假设进入状态S2之前，最大功率点追踪控制器130操作在操作模式OM1，当进入状态S2之后，最大功率点追踪控制器130切换至操作模式OM2，减少PWM信号N4的工作周期。除此之外，当输出电压N1由正趋势转变成负趋势时，最大功率点追踪控制器130立即进入状态S2。 

在状态S3，计数一时脉周期CK。详细而言，切换最大功率点追踪控制器130的操作模式后，最大功率点追踪控制器130进入状态S3并开始计数时脉周期CK，当输出信号N3的趋势在N个时脉周期CK内未转变时(例如输出信号N3未在N个时脉周期CK内由负趋势转变成正趋势)，这意味着控制单元132误判输出电压N1的趋势。因此，最大功率点追踪控制器130由状态S3进入状态S2并切换操作模式(例如由操作模式OM2切换至操作模式OM1)后重新计数时脉周期CK。 

当输出电压N1在N个时脉周期CK内由负趋势转变成正趋势时，最大功率点追踪控制器130由状态S3进入状态S1并停止计数时脉周期CK。直到输出电压N1由正趋势转变成负趋势时，最大功率点追踪控制器130才会进入状态S2。 

图6是本发明的趋势信号N5、操作模式与参考时脉RC的一时序图。如图6所示，在时间点t1时，趋势信号N5由第一电压电位转变为第二电压电位，换言之，输出电压N1由正趋势转变成负趋势，因此最大功率点追踪控制器130的控制单元132进入状态S2，并且由操作模式OM1转变成操作模式OM2，减少PWM信号N4的工作周期。控制单元132切换操作模式后，进入状态S3，并且开始计数时脉周期CK。 

在时间点t2时，趋势信号N5由第二电压电位转变为第一电压电位，换言之，输出电压N1在N个周期内(假设N＝5)由负趋势转变成正趋势，因此控制单元132由状态S3进入状态S1，并且维持在操作模式OM2，以便继续减少PWM信号N4的工作周期。 

在时间点t3时，趋势信号N5由第一电压电位转变为第二电压电位，换言之，输出电压N1由正趋势转变成负趋势，因此控制单元132进入状态S2，并且由操作模式OM2转变成操作模式OM1，以便增加PWM信号N4的工作周期。控制单元132切换操作模式后，进入状态S3，并且开始计数时脉周期CK。其他以此类推，就不再赘述。 

图7是本发明的趋势信号N5、操作模式与参考时脉RC的另一时序图，用以说明控制单元132误判输出电压N1的趋势。如图7所示，在时间点t5时，趋势信号N5由第一电压电位转变为第二电压电位，换言之，输出电压N1由正趋势转变成负趋势，因此最大功率点追踪控制器130的控制单元132进入状态S2，并且由操作模式OM1转变成操作模式OM2，减少PWM信号N4的工作周期。控制单元132切换操作模式后，进入状态S3，并且开始计数时脉周期CK。 

然而，控制单元132计数5个时脉周期CK后，趋势信号N5仍未从第二电压电位转变成第一电压电位。因此，在时间点t5时，最大功率点追踪控制器130误判断(misjudge)输出电压N1的趋势。因此，在时间点t6控制单元132进入状态S2，用以改变操作模式(将操作模式OM2转变成操作模式OM1)，以便增加PWM信号N4的工作周期。 

在时间点t7时，趋势信号N5在5个时脉周期CK内由第二电压电位转变成第一电压电位，换言之，输出电压N1由负趋势转变成正趋势，因此最大功率点追踪控制器130的控制单元132进入状态S1，并且保持操作模式OM1直到趋势信号N5由第一电压电位变成第二电压电位。 

图8是本发明的最大功率点追踪方法的另一流程图。在步骤S81，判断输出电压N1是否由正趋势转变成负趋势。如果否，进入步骤S84，不切换操作模式。如果是，进入步骤S82，切换操作模式并开始计数时脉周期CK。在步骤S83，检测输出电压N1是否在N个时脉周期CK内由负趋势转变成正趋势。如果是，流程回到步骤S81。如果否，流程回到S82。最大功率点追踪控制器130不停地执行步骤S81～S84以便执行最大功率点追踪。 

图9是本发明的输出电压与输出电流的关系图。如图9所示，在本发明实施例中，PWM信号N4的工作周期的增加量与减少量可以是不相同，以加速到达最大功率点。详细而言，当增加工作周期时，D＝D’+A×C。当减少工作周期时，D＝D’-B×C，其中D和D’为工作周期，A、B与C为不同常数。在本发明实施例中，A不等于B。在某些实施例中，A可以等于B。如图9所示，电流增加量D+小于电流减少量D-，因此A小于B，以便在输出电压变化大的区域微量增加工作周期，在输出电压变化小的区域快速减少工作。 

图10是本发明的输出电压与输出电流的另一关系图。如图10所示，电流增加量D+大于电流减少量D-，因此A大于B，以便在远离最大功率点MPP时，快速增加工作周期，在靠近最大功率点MPP时，微量减少工作周期。 

图11是本发明的输入功率、输出功率、操作模式的波形图。如图11所示，操作模式OM1与OM2快速地切换。在太阳光照度为2000lux时，能源收集器140(例如太阳能板)具有最大功率519.693uW。使用本发明的最大功率点追踪系统100时，能源收集器140的输出功率(即输入功率Pin)很快速的到达最大功率点。功率转换器110的输入功率Pin为518.95uW，功率转换器110的输出功率Pout为501.42uW。η_MPPT和η_CONV分别为99.85％和96.62％。由于η_MPPT接近100％，因此最大功率点追踪系统100的最大功率点非常接近实际的最大功率点。 

由于本发明的电压检测单元210和220分别积分检测电压N3的电流值，并放大检测功率转换器110的输出电压N1在不同时间点的电压差，使得控制单元132容易辨别输出电压N1的趋势。再者，利用本发明的最大功率点追踪方法，降低控制单元132的误判断次数，同时也减少最大功率追踪的时间。由于本发明的最大功率点追踪系统100不需同时检测输出电流和输出电压来找寻最大功率点，降低了电路的复杂度和花费。 

以上叙述许多实施例的特征，使所属技术领域中具有通常知识者能够清楚理解本说明书的形态。所属技术领域中具有通常知识者能够理解其可利用本发明揭示内容为基础以设计或更动其他制作工艺及结构而完成相同于上述实施例的目的及/或达到相同于上述实施例的优点。所属技术领域中具有通常知识者也能够理解不脱离本发明的精神和范围的等效构造可在不脱离本发明的精神和范围内作任意的更动、替代与润饰。