具有主動(dòng) MPPT 且無(wú)鎮(zhèn)流電阻的太陽(yáng)能日光燈設(shè)計(jì)方案

對(duì)于這種雙重轉(zhuǎn)換方案，將光轉(zhuǎn)換為電，然后再轉(zhuǎn)換為光，以使用合理尺寸(和成本!)的太陽(yáng)能電池板，同時(shí)仍保持足夠亮以供使用，這要求在兩個(gè)轉(zhuǎn)換步驟中都實(shí)現(xiàn)高效率。此設(shè)計(jì)理念(見(jiàn)圖)介紹了一些實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)要求的方法。

具有最大功率點(diǎn)跟蹤和高壓恒流 LED 驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能日光燈。

根據(jù)定義，光伏板的工作原理是將光轉(zhuǎn)換成電能。因此，一塊電池板能產(chǎn)生的電量取決于照射到其上的光量。當(dāng)然!可能不太明顯的是，電池板的功率輸出還取決于其加載的電壓，并且最大轉(zhuǎn)換效率和功率輸出的電壓(最大功率點(diǎn)電壓 = MPPV)會(huì)隨著光量和(在較小程度上)溫度而顯著變化。

例如，圖示面板的規(guī)格表將其額定為“30 瓦”和“12 伏”。但這絕不應(yīng)被理解為它可以將 30 W 輸出到 12 V 負(fù)載，因?yàn)樗粫?huì)這樣做——即使在陽(yáng)光直射下也不會(huì)。事實(shí)上，它最多只能輸出 20 W 到 12 V。為了希望獲得額定的 30 W，必須允許負(fù)載電壓升至標(biāo)稱 12 V 額定值的 156%——即 18.7 V(所謂的最大功率電壓 = MPV)。這是怎么回事?

這種情況其實(shí)是太陽(yáng)能電池板規(guī)格的典型特征。額定輸出電壓通常被故意低估。這考慮到了這樣一個(gè)事實(shí)：太陽(yáng)能電池板很少能完全垂直地沐浴在陽(yáng)光下，而且在條件不理想的情況下，用戶寧愿得到一些可用輸出(例如，足以給 12 V 電池充電)， 也不愿一無(wú)所獲。

事實(shí)上，如果照射在面板上的陽(yáng)光不足 20%，那么這塊面板實(shí)際上會(huì)輸出 18.7 V的負(fù)載。

為了從太陽(yáng)能電池板提取最大功率，最佳負(fù)載必須隨入射照明和溫度而變化。這種策略通常稱為最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)，也是 U2、A1 和周圍組件的目的。

U2a 和 U2b 振蕩以產(chǎn)生 ~100 Hz “擾動(dòng)”方波，該方波與施加到 U1 的占空比控制信號(hào)相加。這會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板負(fù)載電壓的周期性變化。因此，電池板功率效率也會(huì)發(fā)生變化，在同步整流器 U2c 引腳 4 處產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)在該引腳被采樣并施加到反饋積分器 A1。產(chǎn)生的 MPPT 信號(hào)被累積，成為 25 kHz 電壓倍增器振蕩器 U1 的反饋，該振蕩器以正確的方向增加或減少 U1 的占空比，以最大化從太陽(yáng)能電池板接收的功率。

當(dāng)然，從面板提取的功率必須輸入到 LED 陣列并用于產(chǎn)生有用的光。通常的做法是將 LED 連接到低壓串聯(lián)/并聯(lián)矩陣中。不幸的是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致固有的低效率，因?yàn)樾枰娏髌胶怄?zhèn)流電阻來(lái)補(bǔ)償 LED 正向電壓之間不可避免的不匹配。通常以這種方式會(huì)損失大約 10% 或更多的總可用功率。

所示電路通過(guò)將面板電壓提升到足夠高的值(~90 V)來(lái)容納 30 個(gè) 1-W LED 的純串聯(lián)，從而避免了這種低效率。因此，鎮(zhèn)流電阻器的需求及其不良功率損耗被消除，從而顯著進(jìn)一步提高燈效率。

然而，問(wèn)題出現(xiàn)了。如果 LED 串聯(lián)燈串的連續(xù)性丟失，D1 提供的電流無(wú)處可去，該怎么辦?

如果發(fā)生這種情況，并且沒(méi)有提供任何安全措施來(lái)控制 C8 上電荷的積累，則那里的電壓將危險(xiǎn)地上升(理論上沒(méi)有限制)，直到許多組件(包括 Q1、D1 和 C8)不可避免地遭到破壞(也許是劇烈的破壞)。電壓比較器晶體管 Q2 的配置可防止這種災(zāi)難，當(dāng)危險(xiǎn)的過(guò)壓情況即將發(fā)生時(shí)，它將 U1 的 RESET 輸入設(shè)置為低電平并關(guān)閉 Q1 驅(qū)動(dòng)器。