使用有源钳位的转换器及具有该转换器的太阳能电池系统

使用有源钳位的转换器及具有该转换器的太阳能电池系统
1.相关申请的交叉参考
2.本技术要于2021年8月9日提交的韩国专利申请10-2021-0104744的权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及使用有源钳位的转换器和具有该转换器的太阳能电池系统。


背景技术：

4.太阳能电池系统由通过串联或并联连接光伏(以下称为“pv”)模块以用于所需发电的阵列组成。构成阵列的多个pv模块可能具有不同的发电量，并且当发电量不同时产生的电压和电流的不平衡可能导致整体功率损失。这导致整个太阳能电池系统的发电量减少，因为功率量小的pv模块遵循低短路电流。
5.由于功率不平衡导致的太阳能电池系统的缺点在安装在作为移动装置的车辆中的太阳能系统中更为明显。
6.随着太阳能电池系统的利用提高，对用于改善功率不平衡问题的改进措施的研究正在加快。


技术实现要素：

7.本发明的实施例可以解决现有技术中出现的问题，同时完整保持现有技术实现的优点。
8.本发明的实施例提供了一种能够补偿pv模块之间的功率不平衡的太阳能电池系统。
9.另外，本发明的实施例提供了一种能够使用更小尺寸的转换器的太阳能电池系统。
10.本发明构思的实施例要解决的技术问题不限于上述问题，并且本发明涉及领域的技术人员将通过以下描述将清楚地理解本文未提及的任何其他技术问题。
11.根据本发明的实施例，一种使用钳位电路的转换器包括磁性材料、第一电路和第二电路。第一电路包括围绕磁性材料的第一绕组和用于重置功率转换操作，并转换从第一输入电压源接收的功率以将转换的功率提供给负载的钳位电路。第二电路包括围绕磁性材料的第二绕组，并转换从第二输入电压源接收的功率以将转换的功率提供给负载，并且执行由钳位电路重置的功率转换操作。
12.在实施例中，第二绕组可以与第一绕组处于联接状态。
13.在实施例中，第一电路可以进一步包括连接到第一输入电压源的第一主开关和连接到第一绕组的第一电感器。
14.在实施例中，钳位电路可以包括连接到第一主开关的钳位开关以及在钳位开关和第一电感器之间并与钳位开关和第一电感器串联的钳位电容器。
15.在实施例中，第二电路可以是反激式转换器的初级侧电路结构，包括连接到第二输入电压源的第二主开关和连接到第二绕组的第二电感器。
16.在实施例中，第一主开关和第二主开关可以同时接通或关断，并且钳位开关可以与第一主开关互补地运行。
17.在实施例中，在第一时间段期间，第一主开关和第二主开关可以接通，第一电路和第二电路各自可以在闭合电路中产生电流，并且可以引发彼此联接的第一和第二绕组之间的电流。
18.在实施例中，在第一时间段之后的第二时间段和第三时间段期间，第一和第二主开关可以关断以释放存储在第一和第二电感器中的电能。
19.在实施例中，在第三时间段之后的第四时间段期间，钳位开关可以接通以将第一电路的磁化电流减小到负值，直到磁化电流的偏移得到消除。
20.在实施例中，在第四时间段之后的第五时间段期间，第一和第二主开关可以通过寄生电容器导通。
21.在实施例中，在第五时间段之后的第六时间段中，第一和第二主开关可以接通以允许第一和第二电路是零电压切换(zvs)。
22.根据本发明的实施例，一种太阳能电池系统包括彼此串联的第一光伏(pv)模块和第二pv模块，以及使用具有多绕组结构的磁性材料将来自第一和第二pv模块的功率提供给负载的转换器，并且该转换器包括钳位电路，该钳位电路重置围绕磁性材料的绕组周围产生的漏磁通。
23.在实施例中，该转换器可以包括转换来自第一pv模块的功率并使用钳位电路重置转换器的操作的第一电路和转换来自第二pv模块的功率的第二电路。第一电路可以包括围绕磁性材料的第一区域的第一绕组、连接在第一pv模块和钳位电路之间的第一主开关以及连接在第一绕组和钳位电路之间的第一电感器。
24.在实施例中，钳位电路可以包括连接到第一主开关的钳位开关和在钳位开关和第一电感器之间并与钳位开关和第一电感器串联的钳位电容器。
25.在实施例中，转换器可以是反激式转换器的初级侧电路结构，包括围绕磁性材料的第二区域的第二绕组、连接到第二pv模块的第二主开关和连接到第二绕组的第二电感器。
26.在实施例中，第一绕组与第二绕组可以处于联接状态。
27.在实施例中，第一主开关和第二主开关可以同时接通或关断，并且钳位开关可以与第一主开关互补地运行。
28.在实施例中，在不平衡补偿时间段期间，第一和第二主开关可以接通，第一电路和第二电路各自可以在闭合电路中产生电流，并引发彼此联接的第一和第二绕组之间的电流。
29.在实施例中，在磁化电流偏移时间段期间，钳位开关可以接通以将第一电路的磁化电流减小到负值，直到磁化电流的偏移得到消除。
30.在实施例中，太阳能电池系统可以进一步包括控制器，该控制器基于最大功率点跟踪(mppt)控制用从第一pv模块和第二pv模块产生的功率为电池充电。
附图说明
31.本发明实施例的上述和其他目的、特征和优点将从以下结合附图的详细描述中变得更加显而易见，在附图中：
32.图1是图示根据本发明实施例的太阳能电池系统配置的框图；
33.图2是图示根据本发明实施例的差动功率处理(dpp)转换器的配置的电路图；
34.图3是描述根据本发明实施例的dpp转换器的操作的时序图；
35.图4至图9是描述根据时序图的dpp转换器的操作的图解；
36.图10是描述根据本发明实施例的太阳能电池系统如何解决电荷不平衡的过程的示意图；以及
37.图11a和图11b是图示根据本发明实施例的dpp转换器的配置与常规dpp转换器相比较的图解。
具体实施方式
38.在下文中，将参考示例性附图详细描述本发明的一些实施例。对每张附图的部件都添加的附图标记，应当注意即使在其他图中显示相同或相当的部件，也用相同的标记表示。此外，在描述本发明的实施例时，将省略对众所周知的特征或功能的详细描述，以免不必要地模糊本发明的主旨。
39.在描述根据本发明实施例的部件时，可以使用术语，比如第一、第二、“a”、“b”、(a)、(b)等。这些术语仅旨在将一个组件与另一个组件区分开来，并且这些术语并不限制组成部件的性质、次序或顺序。除另行限定外，本文使用的所有术语，包括技术或科学术语，与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同。通用词典中限定的术语应被解释为具有与相关技术领域的上下文含义相同的含义，并且不应被解释为具有理想或过度正式的含义，除非在本技术中明确限定为具有此类含义。
40.在下文中，将参考图1至图11b详细描述本发明的实施例。
41.图1是图示根据本发明实施例的太阳能电池系统配置的框图。
42.参考图1，根据本发明实施例的太阳能电池系统可以包括第一pv模块pv1至第n(其中，“n”是大于或等于2的自然数)pv模块pvn、差分功率处理(以下称为“dpp”)转换器10、控制器20和电池30。第一pv模块pv1至第n pv模块pvn可以构成太阳能电池板并且可以将太阳能转化为电能。可以将太阳能电池板安装在车顶上，但本发明的范围不限于此，并且太阳能电池板可以安装在可以安装太阳能电池板的任何地方，比如车门、引擎盖、行李箱(即后备箱)等。第一pv模块pv1至第n pv模块pvn是太阳能电池，并且作为一种太阳能电池，可以使用非晶硅太阳能电池或晶体硅太阳能电池。具体来说，染料敏化太阳能电池、钙钛矿基太阳能电池、有机太阳能电池、镉-铍(cdte)太阳能电池、铜-铟-镓-硒(cigs)太阳能电池等可以单独或组合使用。
43.dpp转换器10电连接到第一pv模块pvl至第n pv模块pvn，并且可以控制转换由第一pv模块pvl至第n pv模块pvn产生的功率的操作。dpp转换器10是双向的并且可以基于应用了电绝缘的dc-dc转换器来实现。dpp转换器10可以使用用于多绕组结构的集成磁性材料。具体来说，dpp转换器10可以包括用于重置功率转换操作的钳位电路(clamp circuit)。稍后将描述钳位电路14的具体配置和操作。
44.控制器20可以控制dpp转换器10的输出。控制器20可以执行最大功率点跟踪(mppt)控制以控制由第一pv模块pv1至第n pv模块pvn产生的功率。具体来说，控制器20可以通过使用第一pv模块pv1至第n pv模块pvn的输出电压和输出电流，基于预设算法执行mppt以从第一pv模块pv1到第n pv模块pvn输出最大功率，并且为此，控制器20可以控制dpp转换器10的输出和操作。
45.由于控制器20应该一对一地控制转换器，因此控制器20的尺寸按照转换器的数量而增加。然而，在根据本发明实施例的dpp转换器10中，多个电路部分中只有一个电路部分包括钳位电路，并且由于所有电路部分的重置是通过使用一个钳位电路来控制的，所以可以减少控制器20。
46.电池30可以对应于连接到电路的电压源，并且可以意指例如电动车辆的可充电电池。
47.在下文中，将描述dpp转换器和控制信号发生器的详细配置及其操作。
48.图2是图示dpp转换器配置的电路图。
49.参考图2，根据本发明实施例的dpp转换器10可以包括第一电路inc1至第n电路incn。第一电路inc1可以连接到第一pv模块pv1并且可以基于由第一pv模块pv1产生的功率引发通过第一绕组lm1的电流。第一电路inc1可以包括第一绕组lm1、与第一绕组lm1串联的第一电感器l1、与第一电感器l1连接的钳位电路14以及第一主开关qp1。
50.钳位电路14可以包括连接到第一主开关qp1的钳位开关qcp以及连接在钳位开关qcp和第一电感器l1之间的钳位电容器cc1。钳位电路14可以基于第一pv模块pv1产生的功率产生钳位电能，并且可以将钳位电能提供给负载。在这种情况下，在本发明的本实施例中，负载可以是控制器20。而且，钳位电路14可以重置第一电路inc1至第n电路incn的功率转换操作。
51.第n电路incn可以连接到第n pv模块pvn并且可以基于由第n pv模块pvn产生的功率引发通过第n绕组lmn的电流。第n电路incn可以包括第n绕组lmn、与第n绕组lmn串联的第n电感器ln以及连接到第n电感器ln的第n rcd缓冲电路rcn、ccn和dcn以及第n主开关qpn。
52.如以上描述，第二至第(n-1)输入电路可以以与第n电路incn相同的方式实现为反激(flyback)转换器的初级侧电路结构。
53.根据本发明实施例的dpp转换器10对应于针对一般转换器的输入电路的初级侧电路结构，并且具有省略了对应于输出电路的次级侧电路结构的状态。根据本发明的实施例的dpp转换器10可以控制第一电路inc1和第一电路inc1至第n电路incn的钳位电路14的驱动，同时省略了次级侧电路结构。这样，能够执行功率转换操作并且还可以重置功率转换操作。
54.用于转换“n”个pv模块的功率的常规转换器使用“n”个次级侧电路部分，但是根据本发明实施例的转换器去除“n”个次级侧电路部分，使得转换器的尺寸可以大大减小。
55.图3是描述根据本发明实施例的dpp转换器的操作的时序图。图4至图9是描述根据图3所示的时序图的dpp转换器10的操作的图解。图3至图9是基于用两个pv模块实现的dpp转换器的实施例的图解。另外，图4至图9图示了基于第一pv模块pv1的发电量大于第二pv模块pv2的发电量的情况而运行的dpp转换器10。
56.参考图4至图9，下文将描述根据控制信号的dpp转换器的操作。
57.dpp转换器10可以通过第一控制信号g1和第二控制信号g2控制。第一控制信号g1可以同时接通或关断第一主开关qp1和第二主开关qp2。第二控制信号g2控制第一电路inc1的钳位开关qcp。第一控制信号g1和第二控制信号g2的操作时序可以彼此互补。也就是说，当第一控制信号g1处于接通状态时，第二控制信号g2可以处于关断状态。当第一主开关qp1至第n主开关qpn和钳位开关qcp采用相同类型的晶体管实现时，第一控制信号g1和第二控制信号g2可以是相位彼此相反的波形。
58.参考图3和图4，在第一时间段t0至t1期间，第一主开关qp1和第二主开关qp2可以响应于第一控制信号g1而接通。第一时间段t0至t1可以是用于补偿第一电路inc1和第二电路inc2的输入电压之间的不平衡的时间段。由于第一pv模块pv1的发电量大于第二pv模块pv2的发电量，因此第一pv模块电压vpv1大于第二pv模块电压vpv2。因此，施加到第一绕组lm1的电压vlm可以具有在第一pv模块电压vpv1和第二pv模块电压vpv2之间的值，并且流过第一绕组lm1的磁化电流ilm(或磁化电感电流)可以以第一斜率增加。
59.对应于第一pv模块pv1的第一绕组lm1的第一漏电感llkg1可以接收正电压vpv1-vlm，并且第一漏电感llkg1的第一漏电流illkg1可以增加。对应于第二pv模块pv2的第二绕组lm2的第二漏电感llkg2可以接收具有负值的电压vpv2-vlm，并且可以减小第二漏电感llkg2的漏电流illkg2。由于第一pv模块pv1和第二pv模块pv2之间的发电量差异，对应于第一pv模块pv1的第一漏电流illkg1可以以大于第一斜率的第二斜率增加。另外，对应于第二pv模块pv2的第二漏电流illkg2可以以第三斜率减小。
60.在这种情况下，由于dpp转换器10的第一绕组lm1和第二绕组lm2联接，所以第二漏电流illkg2如下：
61.illkg2＝-(illkg1-ilm)。
62.也就是说，可以看出，来自第一pv模块pv1的剩余电流(surplus current)在第一时间段期间流入第二pv模块pv2以补偿pv模块之间产生的功率的不平衡。
63.参考图3和图5，在第二时间段t1至t2期间，第一主开关qp1和第二主开关qp2关断，并且钳位开关qcp可以通过存储在第一漏电感llkg1中的电能来导通。存储在第一漏电感llkg1中的能量通过第一rcd缓冲电路rc1、cc1和dc1消耗，并且存储在第二漏电感llkg2中的能量可以释放到第二pv模块pv2。在根据本发明本实施例的太阳能电池系统的dpp转换器10中，由于去除了磁化电流并且减少了绕组的数量，因此减少了通过漏电感的能量发射。因此，可以减少缓冲损耗。
64.参考图3和图6，在第三时间段t2至t3期间，第一主开关qp1和第二主开关qp2可以保持关断状态，并且钳位开关qcp可以通过体二极管具有导通状态。
65.存储在第二漏电感llkg2中的能量通过rcd缓冲rc2、cc2和dc2消耗，并且由于电感lm的电压对应于
“‑
vcc-vllkg”，因此磁化电流ilm可能减小。
66.参考图3和图7，在第四时间段t3到t4期间，钳位开关qcp可以响应于第二控制信号g2而接通。第四时间段t3至t4可以是用于消除第一电路inc1和第二电路inc2中的磁化电流ilm的偏移的时间段。
67.电感lm的磁化电流ilm逐渐减小，并且dpp转换器10可以在电流值由正变为负的同时重置。具体来说，如图3所示，可以看出磁化电流ilm的偏移在第四时间段t3至t4中变为“0”。如上所述，由于不存在磁化电流ilm的偏移，因此可以看出dpp转换器10的尺寸可以减
小。
68.参考图3和图8，在第五时间段t4至t5期间，第一主开关qp1可以通过寄生电容器和体二极管导通，并且第二主开关qp2可以通过寄生电容器导通。钳位开关qcp可以通过寄生电容器导通。
69.参考图3和图9，在第六时间段t5至t6中通过体二极管处于导通状态的第一主开关qp1和第二主开关qp2可以通过第一控制信号g1接通。
70.因此，正电压vpv1-vlm被施加到第一漏电感llkg1，使得第一漏电感llkgl的第一漏电流illkgl可以增加。另外，负电压被施加到第二漏电感llkg2，使得第二漏电感llkg2的第二漏电流illkg2可以降低。当第一漏电流illkg1和第二漏电流illkg2具有负值时，第一主开关qp1和第二主开关qp2接通，使得可以执行第一主开关qp1和第二主开关qp2的零电压切换(zvs)。
71.如上所述，由于来自第一pv模块pv1到dpp转换器10的剩余电流和剩余功率被提供给第二pv模块pv2，因此仅在dpp转换器10的输入电路内执行电流循环，并且次级侧的平均电流变为“0”。
72.图10是描述根据本发明实施例的太阳能电池系统如何解决电荷不平衡的过程的示意图。图10图示了具有四个pv模块的太阳能电池系统。
73.参考图10，在根据本发明实施例的太阳能电池系统中，如基于图5所述，当dpp转换器的主开关接通时，pv模块的剩余电流和剩余功率可以提供给dpp转换器，并且dpp转换器的补充电流和补充功率可以提供给pv模块，这些pv模块是缺电的模块。例如，可以将第一pv模块pv1的剩余电流和剩余功率(3a和18w)以及第四pv模块pv4的剩余电流和剩余功率(1a和6w)提供给dpp转换器。
74.另外，dpp转换器的补充电流和补充功率(1a和6w)可以提供给第二pv模块pv2，并且补充电流和补充功率(3a和18w)被提供给第三pv模块pv3。
75.图11a和图11b是图示根据本发明实施例的dpp转换器的配置与常规dpp转换器相比较的图解。
76.如图11a所示，常规dpp转换器可以包括初级侧电路71、次级侧电路72以及包括磁性材料和绕组的变压器73。
77.相比之下，参考图11b，根据本发明实施例的dpp转换器10的电路部分仅具有对应于初级侧电路部分的第一电路部分inc，因此可以减小与去除次级侧电路部分一样多的尺寸。
78.另外，由于dpp转换器10的操作是通过软切换来执行的，所以能够减少能量损失。
79.根据本发明的实施例，由于来自pv模块的剩余功率被提供给另一个pv模块，所以可以补偿pv模块之间的功率不平衡。
80.另外，根据本发明的实施例，由于能够减小用于转换由pv模块产生的功率的转换器的尺寸，所以可以减小太阳能电池系统的尺寸。
81.另外，可以提供通过本发明直接或间接理解的各种效果。
82.以上描述仅是对本发明的技术理念的说明，并且本发明所属领域的普通技术人员将能够在不背离本发明的本质特征的情况下进行各种修改和变型。
83.因此，本发明中公开的实施例并非旨在限制本发明的技术理念，而是要解释技术
理念，并且本发明的技术理念的范围不受这些实施例的限制。本发明的保护范围应由所附权利要求书来解释，并且，凡与其等价范围内的技术理念均应理解为包含在本发明的范围内。