一种太阳能阵列顺序分流调节器

摘要

本发明适用于太阳能领域，提供了一种太阳能阵列顺序分流调节器，所述太阳能阵列分流器包括：输出电容阵、大电流分流器、小电流分流器、主误差放大器以及母线调节运算单元，所述主误差放大器与输出电容阵、母线调节运算单元均连接，所述母线调节单元还与大电流分流器、小电流分流器相连，所述输出电容阵包括电流输出较大的第一子输出电容阵以及电流输出较小的第二子输出电容阵，所述第一子输出电容阵与大电流分流器相连，所述第二子输出电容阵与小电流分流器相连。本发明的有益效果在于：本发明将太阳能阵列进行分类，并增加母线调节运算单元（MainBusRegulationControlUnit，MBRCU）对小电流阵列分流器进行控制，结合小电流驱动器的DeltaSigma控制方法，达到了极大减少分流器开关频率、削弱寄生电容参数对开关的影响，从而减少开关损耗的目的。因此，可以满足大功率高寄生电容太阳能阵列分流器的要求。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能阵列顺序分流调节器。

背景技术

太阳能电池的发展趋势是利用三阶砷化镓（GaAs triple junction）技术，因为三阶砷化镓的太阳能电池效率可达到28%，相比于其他技术有显著的效率优点。然而，三阶砷化镓太阳能电池本身具有较高的寄生电容，一般5A输出三阶砷化镓电池的寄生电容在0.5uF左右，如通过并联得到更高输出电流会使得寄生电容成倍数增加。寄生电容使得顺序开关分流器（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）的设计变得复杂，寄生电容带来的负面效应主要有：

1.       需要有源最大电流限制驱动电路对MOSFET在分流开通瞬间带来的电流尖峰进行限制。因此寄生电容越大，开关损耗越大。

2.       增加太阳能电池对母线供电的延迟时间，并使母线输出电压纹波增大，相位域度降低。

由于顺序开关分流器（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）的高效率、低质量、复杂程度低和高可靠性，太阳能阵列分流系统一般采取S3R顺序开关分流的方式进行，如图1所示，每一路太阳能电池分流器可以处于MOSFET开通或MOSFET关断状态。MOSFET前的滞环控制器接收控制信号对MOSFET开关进行控制，当MOSFET导通，该路太阳能电池对地分流；MOSFET关断，该路太阳能电池以恒定电流对母线供电；通过主误差放大器（Main Error Amplifier，MEA）对母线电压误差进行放大，输出信号对N路（根据输出功率确定）太阳能电池分流器进行控制，稳定母线。一般对于N路太阳能电池放电系统，n路处于供电状态，N-n-1路处于分流状态，1路太阳能电池分流器处于开关状态（利用滞回比较器的Bang-Bang控制器），稳定母线。

处于开关状态的分流器的最大开关频率取决于：太阳能电池电流、母线输出电容和母线电压纹波：

       对于大功率的太阳能电池阵列分流器，一般单路太阳能电池采取并联，增加单阵分流器处理效率，降低系统的体积和重量。然而在单路电流增加的情况下，会造成最大开关频率的增加，进而使得MOSFET开关损耗增加。

       同时，由于并联后的太阳能电池阵的寄生电容也成倍数增加，进一步增加了开关损耗，并且会对太阳能向母线供电造成延时，从而使整个系统的相位域度降低，因此对稳定性带来负面影响。

对于处于开关路的分流器来说，是采用传统的滞回比较器作为Bang-bang控制器，稳定母线电压，前级产生的开关噪声在低频较多。

Delta Sigma控制策略主要应用在ADC（数字模拟转换，A/D converter ）采样，数字PWM（脉宽调制，Pulse-Width Modulation）精度提高及开关电源的EMI抑制上，其具有超频能力，因此可以利用Delta Sigma调制的方式降低开关时刻的高频分量，减少单位时间内的开关次数，因而可以进一步降低MOSFET产生的开关损耗。

综上所述在针对于三阶砷化镓电池的大功率太阳能发电系统中，传统的S3R技术有其一定的制约条件和缺点，表现在：

一、对于三阶砷化镓电池的大功率太阳能发电系统，提高单阵电流对降低整个系统的体积和重量起关键作用，然而单阵电流的提高对于传统S3R来说，寄生电容和单阵电流的同时提高，会极大的增加单阵MOSFET开关损耗。

二、对于处于开关状态调节母线的分流器，采用的Bang-Bang调制相对于Delta Sigma调制会在单位时间内产生开关次数相对较多，会进一步增加开关损耗。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种利用太阳能电池作为能量输入来源的电源控制和变换器，旨在解决三阶砷化镓电池的大功率太阳能发电系统中，由于单阵电流较大和寄生电容较大以及采用传统Bang-bang控制所带来的较高的开关损耗的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种太阳能阵列分流器，所述太阳能阵列分流器包括：输出电容阵、大电流分流器、小电流分流器、主误差放大器以及母线调节运算单元，

所述主误差放大器与输出电容阵、母线调节运算单元均连接，所述母线调节单元还与大电流分流器、小电流分流器相连，

所述输出电容阵包括电流输出较大的第一子输出电容阵以及电流输出较小的第二子输出电容阵，所述第一子输出电容阵与大电流分流器相连，所述第二子输出电容阵与小电流分流器相连。

进一步地，所述大电流分流器中内置有Bang-bang控制器、有源限流驱动单元以及功率开关单元，

所述Bang-bang控制器分别与所述主误差放大器、有源限流驱动单元相连，所述有源限流驱动单元还与所述功率开关单元连接，所述功率开关单元与所述第一子输出电容阵相连。

进一步地，所述大电流分流器中Bang-bang控制器由滞回比较器组成，通过设置阈值的上下限来设置母线电压纹波。

进一步地，所述小电流分流器中内置有Delta Sigma控制器、有源限流驱动单元以及功率开关单元，

所述第二子输出电容阵与所述功率开关单元连接，所述功率开关单元还与所述有源限流驱动单元连接，所述有源限流驱动单元还与所述Delta Sigma控制器连接，所述Delta Sigma控制器与所述母线调节运算单元连接。

进一步地，所述大电流分流器中Bang-bang控制器由滞回比较器组成，通过设置阈值的上下限来设置母线电压纹波。

进一步地，所述输出电容阵是多个电容进行并联，多个电容采用薄膜电容。

进一步地，所述母线调节运算单元内部包括：母线电压分压电路及采样电路、基准电压电路以及模拟PI补偿电路，

母线电压分压及采样电路由电阻分压来实现，基准稳压电路采取稳压管实现，模拟PI补偿电路由高增益带宽积、低噪声、高摆率的运算放大器实现。

进一步地，所述有源限流驱动单元包含控制信号接收电路，分流电流采集电路，控制信号计算电路，控制信号功率放大电路，完成对MOSFET的限流驱动，在MOSFET开通瞬间，驱动信号使MOSFET工作在电阻区，吸收由于寄生电容所带来的电流尖峰。

进一步地，所述功率开关单元包含一个MOSFET和两个串联的二极管，完成太阳能电池电流的分流或供电控制。

本发明的有益效果在于：本发明将太阳能阵列进行分类，并增加母线调节运算单元（Main Bus Regulation Control Unit， MBRCU）对小电流阵列分流器进行控制，结合小电流驱动器的Delta Sigma控制方法，达到了极大减少分流器开关频率、削弱寄生电容参数对开关的影响，从而减少开关损耗的目的。因此，可以满足大功率高寄生电容太阳能阵列分流器的要求。

附图说明

图1是现有技术提供的顺序分流调节器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的太阳能阵列顺序分流调节器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的在相同负载和相同母线纹波的情况下，在相同一段时间内，Delta Sigma控制器与Bang-bang控制器的开关次数对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

将太阳能电池阵列分为两部分：小电流太阳能电池阵列（例如，采用单路太阳能电池，不并联），大电流太阳能电池阵列（例如，采用2~3路太阳能电池并联）。采取能量并行处理的方式，将小电流太阳能电池阵列的电流和大电流太阳能电池阵列的总电流做加和处理，供应到输出母线电容阵列和负载。MEA将母线误差信号进行放大，大电流阵列分流器中的控制器采用以滞回比较器为核心的Bang-Bang控制器，并直接受控于MEA信号。小电流阵列方面，小电流阵列分流器的控制单元采用Delta Sigma调制方式的控制器， MEA信号经过母线调节运算单元（Main Bus Regulation Control Unit， MBRCU），控制小电流阵列的分流器的控制器。保证在任何负载条件下，由小电流阵列中的其中一个分流器进行开关来调节和稳定母线。一般情况下，小电池阵列的单阵个数一般与大小电流阵列单阵电流的相差倍数有关，为了冗余增加可靠性，一般设置小电流的个数为：Nsas=ISAS/Isas+1。本发明实施例适用于在轨卫星、空间站、航天飞机等。

图2示出了本发明实施例提供的太阳能阵列顺序分流调节器的结构，该太阳能阵列顺序分流调节器包括：输出电容阵（在图2中，为左端的22路15A电流输出以及6路5A电流输出）、主误差放大器（图中的MEA）、母线调节运算单元（Main Bus Regulation Control Unit，MBRCU）、大电流分流器、小电流分流器。

所述主误差放大器与输出电容阵、母线调节运算单元均连接，所述母线调节单元还与大电流分流器、小电流分流器相连，

所述输出电容阵包括电流输出较大的第一子输出电容阵（在图2中，左上部分的22路15A电流输出）以及电流输出较小的第二子输出电容阵（在图2中，为左下部分的6路5A电流输出），所述第一子输出电容阵与大电流分流器相连，所述第二子输出电容阵与小电流分流器相连。

在本发明的实施例中，所述大电流分流器中内置有Bang-bang控制器、有源限流驱动单元以及功率开关单元，

所述Bang-bang控制器分别与所述主误差放大器、有源限流驱动单元相连，所述有源限流驱动单元还与所述功率开关单元连接，所述功率开关单元与所述第一子输出电容阵相连。

在本发明的实施例中，所述小电流分流器中内置有Delta Sigma控制器、有源限流驱动单元以及功率开关单元，

所述第二子输出电容阵与所述功率开关单元连接，所述功率开关单元还与所述有源限流驱动单元连接，所述有源限流驱动单元还与所述Delta Sigma控制器连接，所述Delta Sigma控制器与所述母线调节运算单元连接。

    由于Delta Sigma控制器是一种反馈调制，通过增加调制器前馈通道增益及采样的开关频率，对开关噪声进行整形（低频向高频转移），从而达到信号频谱内噪声幅度抑制的目的，在与传统S3R分流器相同的输出电容阵地情况下，可有效降低开关次数。Delta Sigma控制器采用二阶，前端接收MEA信号，对控制信号进行两级积分、量化器和D触发器后反馈并输出给所述的有源限流驱动电路。参阅图3，可以看出，在相同负载和相同母线纹波的情况下，在相同一段时间内Delta Sigma控制器的开关次数明显小于Bang-bang控制器，达到了降低开关损耗的目的。

在本发明的实施例中，所述输出电容阵实现对分流器的滤波作用，是多个电容进行并联，电容一般采用ESR较低的薄膜电容。

在本发明的实施例中，所述母线调节运算单元内部包括：母线电压分压电路及采样电路、基准电压电路以及模拟PI补偿电路，共同实现对母线电压误差信号的放大。其中，母线电压分压及采样电路由电阻分压来实现、基准稳压电路采取稳压管实现、模拟PI补偿电路由高增益带宽积、低噪声、高摆率的运算放大器实现。

在本发明的实施例中，所述母线调节运算单元中包含占空比电压生成电路、大电流分流器开关状态采集电路、MEA信号与大电流分流器开关状态以及占空比电压综合处理电路，电路完成功能为：，其中：Verror_sas为小电流阵列的分流器控制信号，Verror为MEA输出信号，D为固定电压，NSASON为向母线供电的大电流分流器个数。

在本发明的实施例中，所述大电流分流器中Bang-bang控制器由滞回比较器组成，通过设置阈值的上下限可以设置母线电压纹波。

在本发明的实施例中，所述小电流分流器中Delta Sigma控制器包含二阶积分器、反馈放大运放、量化器组成。接受MEA信号完成对驱动电路的控制功能。

在本发明的实施例中，所述有源限流驱动单元包含控制信号接收电路，分流电流采集电路，控制信号计算电路，控制信号功率放大电路，完成对MOSFET的限流驱动，在MOSFET开通瞬间，驱动信号使MOSFET工作在电阻区，吸收由于寄生电容所带来的电流尖峰。

在本发明的实施例中，所述功率开关单元包含一个MOSFET和两个串联的二极管，完成太阳能电池电流的分流或供电控制。

综上所述，本发明将太阳能阵列进行分类，并增加母线调节运算单元（Main Bus Regulation Control Unit，MBRCU）对小电流阵列分流器进行控制，结合小电流驱动器的Delta Sigma控制方法，达到了极大减少分流器开关频率、削弱寄生电容参数对开关的影响，从而减少开关损耗的目的。因此，可以满足大功率高寄生电容太阳能阵列分流器的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。