小型太阳能光伏电源的串联与并联线性稳压

太阳能光伏阵列似乎每天都变得更便宜、更高效，这使得它们在可再生能源和/或远程电源应用中越来越实用。尽管如此，任何给定阵列产生的电压都会随负载、入射光强度和温度而显着变化，因此通常需要某种形式的调节。

阵列性能可以从功率点跟踪 (MPPT) 和开关模式调节中显着受益，如早期设计理念中所示：太阳能阵列控制器不需要乘法器来化功率

但对于小型阵列，MPPT 和开关模式电路的额外复杂性似乎没有道理，这使得线性调节成为更简单和更好的选择。本设计理念针对此类系统，着重于串联与并联稳压器拓扑结构的相对优势。

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让我们从一个假设的小型太阳能电池阵列开始，优化为 12V 时 1A 的 12W 输出（在完全直射阳光下 ~1kW/m 2），20% 的光电转换效率，因此标称面积 ~0.06m 2 = ~ 100 合2。然后添加线性调节电路，以针对从 0 到 1A 的负载电流变化保持恒定的 12V 输出。 

图 1显示了一个合适的串联稳压器，而图 2是一个类似的并联拓扑。为了便于比较并联调节与串联调节的优势，两种调节器均采用相同的感测/控制电路，该电路基于久负盛名的 LM10 组合基准 + 运算放大器。

图 1适用于小型太阳能电池阵列的串联线性稳压器。

图 2适用于小型太阳能电池阵列的并联线性稳压器。

参考这些图，LM10 200mV 内部基准（引脚 1 + 8）通过 R1 = R2R3/(R2 + R3) 驱动运算放大器反相输入（引脚 2），提供输入偏置电流补偿，而同相输入（引脚3) 通过 60:1 R2:R3 分压器连接到 Vout (Vsetpoint = 200mV(R3/R2 + 1))。因此，运算放大器输出（引脚 6）将在

Vout < Vsetpoint，当 Vout > Vsetpoint 时为正。 

在图 1（串联稳压器）中，引脚 6 通过限流 R4 连接到 D45 PNP 传输功率晶体管的基极，当 Vout < Vsetpoint 时增加驱动和负载电流，当 Vout > Vsetpoint 时减小它们。在图 2（并联稳压器）中，引脚 6 驱动 D44 NPN 并联晶体管的基极，当 Vout > Vsetpoint 时将更多阵列电流路由到地，当 Vout > Vsetpoint 时路由更少。 

那么，哪种类型的调节（分流或串联）更好，何时以及为什么？

 要回答这个一般性问题，将考虑三类特定的电路性能：

1. 稳压器效率（在峰值需求时提供给负载的阵列功率的部分）
2. 热管理挑战（主要取决于功率晶体管散热器所需的热容量，进而取决于晶体管功耗）
3. 调节类型对太阳能电池阵列温度的影响，从而影响阵列转换效率

当 D45 传输晶体管导通并接近饱和时，串联拓扑的满载 (1A) 效率受三个因素限制：

1. LM10 和 R2R3 分压器的电流消耗 = 312uA（典型值）
2. D45 的基本驱动 @Ic = 1A = 10mA（典型值）
3. D45 的饱和压降 @Ic = 1A = 100mV(typ)

将这些损耗相加得出估计的典型效率系数为 98%。

相比之下，在分流拓扑中，D44 功率晶体管在满载时完全关闭，并且阵列和输出之间的连接是直接的，仅留下上述三个因素之一来竞争输出电流：#1—312uA LM10 电流。这导致近乎完美的 99.97% 效率。

结论：就效率而言，串联非常好，但并联（实际上）是完美的。请注意，此结果不同于一般预期，即串联调节的效率通常优于并联调节的效率。

D45 系列传输晶体管的散热量约为 1.33W，出现在 0.66A 负载电流下，可由小型夹式散热器提供。相比之下，D44 并联晶体管的耗散出现在零负载电流时，并且更大：~4.5W，需要大量且笨重的挤压散热器以可接受地限制自然对流条件下的温升（~40 o C）和辐射。

按照这个标准，串联调节是明显的赢家，（酷）因子> 3。

太阳能电池阵列吸收的总太阳能只能通过两种方式： 1. 转换成电能输送到连接的电路；或 2. 阵列散发的热量。热力学定律规定后两者之和必须始终恰好等于前者。因此，连接负载接受的电能越少，阵列必须以热量形式排放的电能就越多，这不可避免地会增加阵列的温度。 

串联调节会导致负载未接受的大部分功率被阵列耗散（记住 D45 保持的冷却程度），而并联调节会耗散 D44 晶体管和 R4 中的拒绝功率。因此，在部分负载下，效率为 20% 的并联调节面板的运行温度比串联调节面板低 10 o C。太阳能电池阵列转换效率随温度升高 0.3% 至 0.4%/ o C 而下降，因此在某些情况下，并联调节面板的效率可能比串联调节面板高 3% 或 4%。

按照这个标准，分流调节显然更胜一筹。

总而言之，我们看到了一个混合包：分流调节是否通过在三分之二的 ABC 中击败系列赛而赢得设计比赛？这取决于。设计人员在选择稳压器类型时平衡相互冲突的标准将取决于相互竞争的优先级，因为他们在特定应用的详细要求中自行排序。这就是我们设计工程师赚大钱的原因！咳咳。