產(chǎn)生清潔能源，促成“綠色”環(huán)境

引言

過(guò)去 40 年以來(lái)，全世界的用電費(fèi)用都在穩(wěn)步上升。自 1970 年以來(lái)，除了有幾段時(shí)間電價(jià)保持不變，還有極少數(shù)的幾次輕微下降，用電費(fèi)用幾乎每年都在上升。有幾種因素導(dǎo)致這種趨勢(shì)的原因，其中包括人口日益增加以及數(shù)字時(shí)代的出現(xiàn)。盡管歷史對(duì)未來(lái)有指導(dǎo)作用，但是公用事業(yè)公司仍然面臨著一些全新挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)為未來(lái)幾年電價(jià)大幅提高奠定了基礎(chǔ)。

有 3 個(gè)主要因素將在未來(lái) 10 年促使電價(jià)升高：

§ 所需的基礎(chǔ)設(shè)施投資

§ 復(fù)合價(jià)格效應(yīng)

§ 越來(lái)越多的環(huán)保法規(guī)

這些因素合起來(lái)有可能導(dǎo)致住宅電價(jià)上漲，在未來(lái)幾年價(jià)格有可能顯著攀升。

公用事業(yè)公司與其他任何公開(kāi)上市的公司一樣，都有投資者和股東。公用事業(yè)公司肩負(fù)著以盈利形式為投資者賺取回報(bào)的期望，在其成本上升時(shí)，公用事業(yè)公司會(huì)將這些成本傳遞到客戶(hù)身上。

基礎(chǔ)設(shè)施投資已有一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間落后于增長(zhǎng)。電力行業(yè)是資本最密集的領(lǐng)域之一，與改善電網(wǎng)有關(guān)的資本成本對(duì)決定零售電價(jià)有很大的影響。

為了彌補(bǔ)數(shù) 10 年來(lái)的投資不足，公用事業(yè)公司已經(jīng)開(kāi)始再次投資建設(shè)核心基礎(chǔ)設(shè)施，其中包括建造新的發(fā)電廠、加固送電系統(tǒng)等，尤其是向家庭送電的高壓傳輸線(xiàn)、變電站以及配電系統(tǒng)。例如，愛(ài)迪生電力研究所 (Edison Electric Institute) 估計(jì)，到 2030 年，美國(guó)公用事業(yè)公司在擴(kuò)展和改善基礎(chǔ)設(shè)施方面，將需要支出 1.5 萬(wàn)億至 2 萬(wàn)億美元。另外，通過(guò)納入智能電網(wǎng)技術(shù)使系統(tǒng)智能化，以符合目前以及擬議中的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)產(chǎn)生一些費(fèi)用，這部分費(fèi)用預(yù)計(jì)將使支出另外再增加 2500 億美元。

復(fù)合定價(jià)效應(yīng)指的是，與用戶(hù)脫離電網(wǎng)之流失率速度以及客戶(hù)因日益重視能源效率而導(dǎo)致耗電量 (千瓦小時(shí)) 下降來(lái)相比, 需要以更高的速度提高電價(jià)。

很多房主和企業(yè)為了躲避不斷上升的電價(jià)，正在尋找可替代能源，例如太陽(yáng)能?？蛻?hù)脫離電網(wǎng)、停止向公用事業(yè)公司付費(fèi)后，公用事業(yè)公司的收入就減少了一部分，這部分收入必須從仍然留存的客戶(hù)身上恢復(fù)。盡管目前僅有很少部分客戶(hù)轉(zhuǎn)向了太陽(yáng)能，但是隨著這部分客戶(hù)數(shù)量不可避免地增加，公用事業(yè)公司的成本負(fù)擔(dān)將傳遞到這部分客戶(hù)的鄰居身上。無(wú)論公平與否，在公用事業(yè)公司需要產(chǎn)生越來(lái)越多的收入以覆蓋不斷增加的成本時(shí)，現(xiàn)實(shí)情況就是如此。

越來(lái)越多的環(huán)保法規(guī)是促使電價(jià)提高的第三個(gè)重要因素。大多數(shù)電力公司都受到環(huán)保規(guī)則以及空氣和水質(zhì)量要求的制約。盡管有大量證據(jù)表明，這些要求確實(shí)幫助降低了污染排放量，并產(chǎn)生了更好的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但這是以極高的費(fèi)用為代價(jià)的。隨著公用事業(yè)公司進(jìn)入更多的減排階段，這種費(fèi)用就會(huì)在客戶(hù)的電費(fèi)賬單中反映出來(lái)，而且必須公平合理地分散到所有電網(wǎng)客戶(hù)身上。

因此，太陽(yáng)能電池陣列越來(lái)越多地出現(xiàn)在了住宅、學(xué)校、工業(yè)建筑物、停車(chē)場(chǎng)以及任何陽(yáng)光清晰可見(jiàn)的地方。在氣候使太陽(yáng)能發(fā)電更容易的戰(zhàn)略性區(qū)域，人們安裝了太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)。盡管大多數(shù)可再生能源系統(tǒng)往往作為公用事業(yè)公司提供的電網(wǎng)電力的補(bǔ)充，但是有些項(xiàng)目 (包括新的數(shù)據(jù)中心太陽(yáng)能項(xiàng)目) 已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)為僅將電網(wǎng)提供的電力作為備份能源使用。

由于太陽(yáng)能電池板的數(shù)量、配置方式以及相對(duì)尺寸不同，所以會(huì)產(chǎn)生多種可提供的電壓和功率。多種電壓和功率可能導(dǎo)致需要多個(gè)電源級(jí)，以實(shí)現(xiàn)所需的輸出電壓和最大功率。不過(guò)，多個(gè)電源級(jí)導(dǎo)致效率降低和成本上升。顯然，為了給電池充電和 / 或?qū)⑻?yáng)能電源轉(zhuǎn)換成可以送回電網(wǎng)的 AC 電壓，從原始太陽(yáng)能電源到穩(wěn)定固定電壓的轉(zhuǎn)換這一環(huán)節(jié)需要改進(jìn)。凌力爾特最近推出的 LT8705 解決了很多這類(lèi)問(wèn)題，提供了一種簡(jiǎn)化的解決方案。

一種新方法

LT8705 是一款效率非常高 (高達(dá) 98%) 的同步降壓-升壓型 DC/DC 控制器，用高于、低于或等于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓工作。這個(gè)器件有 4 個(gè)反饋環(huán)路，用以調(diào)節(jié)輸入電流 / 電壓和輸出電流 / 電壓。輸入電流和電壓反饋環(huán)路可防止太陽(yáng)能電池過(guò)載。輸出電流環(huán)路為電池充電器提供穩(wěn)定的輸出電流，或者作為電流源使用。LT8705 在 2.8V 至 80V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，產(chǎn)生 1.3V 至 80V 的輸出，采用單個(gè)電感器提供 4 開(kāi)關(guān)同步整流。用單個(gè)器件可提供高達(dá) 250W 的輸出功率。當(dāng)多個(gè)電路配置為并聯(lián)連接時(shí)，可以提供更大的輸出功率。LT8705 采用專(zhuān)有的電流模式控制架構(gòu)，以在降壓或升壓模式以恒定頻率工作，該器件具備 4 個(gè)強(qiáng)大的內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器。用戶(hù)可以選擇以強(qiáng)制連續(xù)、斷續(xù)和突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，以最大限度地提高輕負(fù)載時(shí)的效率。

其他特點(diǎn)包括指示反饋環(huán)路處于工作狀態(tài)的伺服引腳、給外部器件供電的 3.3V/12mA LDO、可調(diào)軟啟動(dòng)、內(nèi)置芯片溫度監(jiān)視器、以及 -40°C 至 125°C 的工作結(jié)溫范圍。LT8705 采用 38 引腳 5mm x 7mm QFN 或 38 引線(xiàn) TSSOP 封裝。LT8705 的 LTspice 電路模型也已提供，可用來(lái)非常容易和快速地評(píng)估所有種類(lèi)的創(chuàng)意應(yīng)用。

LT8705 包含 4 個(gè)誤差放大器，允許該器件調(diào)節(jié)或限制輸出電流、輸入電流、輸入電壓和輸出電壓。在一個(gè)典型應(yīng)用中，輸出電壓也許是穩(wěn)定的，而其余的誤差放大器監(jiān)視過(guò)大的輸入或輸出電流或輸入欠壓情況。在其他應(yīng)用中 (例如電池充電器) 輸出穩(wěn)流器可為以恒定電流充電提供方便，直至達(dá)到預(yù)定電壓為止，這時(shí)輸出電壓控制會(huì)接管過(guò)來(lái)。 圖 1 中的方框圖顯示了太陽(yáng)能電池板的輸入，這里L(fēng)T8705 用于電池充電應(yīng)用。

圖 1：LT8705 太陽(yáng)能電池板電池充電器方框圖

TO INDUCTOR CURRENT SENSE CIRCUITS：至電感器電流檢測(cè)電路

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伺服指示器

在圖 1 所示方框圖中，LT8705 用其內(nèi)置的 EA3 誤差放大器監(jiān)視太陽(yáng)能電池板的輸入電壓，以確保該電壓不會(huì)出故障。該器件還用一個(gè)使用 EA1 誤差放大器的恒定電流源給 4 個(gè)串聯(lián)的鉛酸電池充電。盡管 LT8705 有 4 個(gè)伺服引腳，但是為清晰起見(jiàn)，這個(gè)例子僅顯示了其中的兩個(gè)。電池充電器電流源是在 LT8705 的控制，以提供 5A 充電電流，如紅色 LED 指示器所示。不過(guò)，如果太陽(yáng)能電池板電壓降至低于預(yù)定電壓，那么 LT8705 就會(huì)降低充電電流，以防止太陽(yáng)能電池板電壓出故障。方框圖中未顯示的其他兩個(gè)伺服引腳是輸入電流和輸出電壓引腳。如果需要最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)，那么所有這些伺服指示器都非常有用。

完整的 LT8705 原理圖如圖 2 所示，該電路在 28V 至 72V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，就太陽(yáng)能應(yīng)用而言，這一范圍足夠覆蓋太陽(yáng)能電池板的輸入范圍了。有 4 個(gè)外部 MOSFET，允許這個(gè)電路用作同步降壓 / 升壓型轉(zhuǎn)換器，并配置為電流源，以給 4 個(gè)而每個(gè)為 12V 的鉛酸電池充電。

圖 2：完整的 LT8705 太陽(yáng)能電池充電器應(yīng)用原理圖

FOUR EACH 12V LEAD ACID BATTERIES：4 個(gè)而每個(gè)為 12V 的鉛酸電池

TO DIODE：至二極管

28V TO 72V：28V 至 72V

電源開(kāi)關(guān)控制

圖 3 所示是一個(gè)簡(jiǎn)化圖，顯示了 4 個(gè)電源開(kāi)關(guān)怎樣連接至電感器、VIN、VOUT 和地。

圖 3：由 LT8705 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) MOSFET 開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化圖

當(dāng) VIN 顯著高于 VOUT 時(shí)，該器件將以降壓模式工作。在這個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，M3 始終斷開(kāi)，M4 則始終接通，除非在以突發(fā)模式或斷續(xù)模式工作時(shí)監(jiān)測(cè)到了反向電流。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，同步開(kāi)關(guān) M2 首先接通，由一個(gè)內(nèi)部放大器檢測(cè)電感器電流。斜率補(bǔ)償斜坡被加到檢測(cè)到的電壓上，然后比較這個(gè)電壓和基準(zhǔn)電壓。在所檢測(cè)的電感器電流降至低于這個(gè)基準(zhǔn)時(shí)，開(kāi)關(guān) M2 斷開(kāi)，M1 (同步整流器) 在該周期的剩余時(shí)間內(nèi)保持接通。開(kāi)關(guān) M1 和 M2 將交替工作，表現(xiàn)得就像一個(gè)典型的同步降壓型穩(wěn)壓器一樣。

隨著 VIN 和 VOUT 變得相互接近，占空比會(huì)下降，直至達(dá)到降壓模式時(shí)轉(zhuǎn)換器的最小占空比為止，然后該器件進(jìn)入降壓-升壓區(qū)，所有 4 個(gè) MOSFET 都以開(kāi)關(guān)模式工作。

當(dāng) VOUT 顯著高于 VIN 時(shí)，該器件將以升壓模式工作。在這個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，M1 始終接通，M2 則始終斷開(kāi)。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān) M3 首先接通，由一個(gè)內(nèi)部放大器檢測(cè)電感器電流。在所檢測(cè)的電感器電流上升至高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，開(kāi)關(guān) M3 斷開(kāi)，開(kāi)關(guān) M4 在該周期的剩余時(shí)間內(nèi)保持接通。開(kāi)關(guān) M3 和 M4 將交替工作，表現(xiàn)得就像一個(gè)典型的同步升壓型穩(wěn)壓器一樣。

雙向超級(jí)電容器充電器

LT8705 還可配置為雙向超級(jí)電容器充電器，如圖 4 的簡(jiǎn)化原理圖所示。這個(gè)電路靠一個(gè)具備 12V 標(biāo)稱(chēng)輸入電壓的 PCI 背板工作。當(dāng)輸入電壓存在時(shí)，電源直接向系統(tǒng)負(fù)載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，并通過(guò)隔離二極管向 LT8705 超級(jí)電容器充電器電路供電。用 1A 充電電流給 6 個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電至 15V。當(dāng)去掉 12V PCI 背板輸入時(shí)，LT8705 就反向工作，將超級(jí)電容器的能量供給 12V 負(fù)載。在這種模式時(shí)，可以提供高達(dá) 6A 的電流。

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通過(guò)這種方式，單個(gè)雙向電源取代了兩個(gè)傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制電源，從而大幅節(jié)省了成本、減少了器件數(shù)量。此外，由于無(wú)須額外的電源布線(xiàn) / 管理，因此減少了器件數(shù)量、降低了額外電路可能導(dǎo)致的功率損耗。

圖 4：簡(jiǎn)化的 LT8705 雙向超級(jí)電容器備份電路

BACKPLANE：背板

POWER FLOW：電源供電流向

LOADS：負(fù)載

LIMIT CAP CHARGING CURRENT TO 1A：將電容器充電電流限制為 1A

REGULATE CAPS TO 15V：將電容器電壓調(diào)節(jié)至 15V

故障情況

LT8705 在某些工作情況下激活故障序列。如果發(fā)生了這些情況中的任一種，例如過(guò)流或過(guò)壓情況，那么就禁止內(nèi)部開(kāi)關(guān)和時(shí)鐘輸出。同時(shí)，超時(shí)序列開(kāi)始提供，這時(shí)軟啟動(dòng)功能需要重新初始化。如果故障持續(xù)，例如在過(guò)流情況下，那么將不允許軟啟動(dòng)功能重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。故障情況消除且預(yù)定超時(shí)周期結(jié)束之后，轉(zhuǎn)換器將重新啟動(dòng)，啟動(dòng)速率視分配給 LT8705 軟啟動(dòng)引腳的電容器值而定。超時(shí)周期減輕該器件以及其他下游電源組件的電氣和熱量壓力。

結(jié)論

顯然，全世界的公用事業(yè)公司都將在未來(lái)幾年提高電價(jià)。因此，用太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生清潔能源，可以降低甚至有可能消除消費(fèi)者對(duì)電力公司的依賴(lài)。這將不可避免地導(dǎo)致安裝很多太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。然而，由于太陽(yáng)能電池板的配置、相對(duì)大小和數(shù)量不同，所以太陽(yáng)能電池板會(huì)提供很多種電壓和功率。這么多種電壓和功率可能導(dǎo)致需要多個(gè)電源級(jí)，以提供所希望的輸出電壓和最大功率。幸運(yùn)的是，具備寬輸入電壓范圍和 4 個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)路的 LT8705 可以減少提供高效率簡(jiǎn)化解決方案所需的電源級(jí)數(shù)量，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作。最后，清潔能源發(fā)生器的一個(gè)附帶好處是，將為我們所有人創(chuàng)造一個(gè)更加“綠色”的環(huán)境。

參考資料

(1) Patriot Solar and Roofing，2009 年5月，提供了有關(guān)所需基礎(chǔ)設(shè)施投資、復(fù)合價(jià)格效應(yīng)以及環(huán)保法規(guī)的信息。