Bang-bang 光伏穩(wěn)壓器無需磁性元件

光伏系統(tǒng)通常包括一種儲(chǔ)能方式——電池或超級電容器——在沒有陽光或電源瞬變期間為負(fù)載提供電力。但是，在可行的情況下，無存儲(chǔ)系統(tǒng)是具有更高 MTBF 的更環(huán)保的替代方案。

圖 1 中描述的設(shè)計(jì)理念 是一種光伏穩(wěn)壓器，它以開關(guān)式 開關(guān)模式運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)高效率。它易于擴(kuò)展且僅使用分立組件。

圖 1  簡單的自由運(yùn)行光伏穩(wěn)壓器（注：D2 和 D3 是齊納二極管）。

PMOS 晶體管 M1 的導(dǎo)通和截止為輸出電容 C1 充電。當(dāng) M1 打開時(shí)，光伏電源達(dá)到其開路電壓C1向負(fù)載放電；當(dāng)M1導(dǎo)通時(shí)，光伏電源被鉗位到輸出電壓V O，C1再次充電。

光伏源的 SPICE 模型由 I1-D1-R1-R2 給出，它代表一串 30 個(gè)串聯(lián)的低功率硅太陽能電池。

電路操作如下：M1 在啟動(dòng)期間導(dǎo)通，因?yàn)?R3 和齊納二極管 D2 將 V GS設(shè)置 為 12V。當(dāng) C1 充電時(shí)，齊納 D3 上的電壓上升直至達(dá)到 10V，從而設(shè)置電壓參考電平。V O 繼續(xù)上升，直到由 Q3 和 Q4 組成的差分放大器的輸出打開 Q2 和 Q1，從而關(guān)閉 M1。

然后V O 下降，直到差分放大器的輸出不足以保持 Q2 導(dǎo)通。穩(wěn)壓器無限期地保持在 bang-bang 模式，輸出電壓由下式給出：

(1)

輸出電壓紋波和開關(guān)頻率可以通過輸出電容C1和反饋網(wǎng)絡(luò)電容C2來調(diào)節(jié)。增加 C2 值會(huì)減慢電壓檢測速度，這可能是穩(wěn)定目的所必需的，但也會(huì)增加輸出紋波。建議根據(jù)應(yīng)用在開關(guān)頻率和輸出電壓紋波之間取得平衡。

原型的波形如圖 2所示。15V 輸出的紋波小于 0.5V P-P ，開關(guān)頻率略高于 25kHz。

圖 2  穩(wěn)壓器波形。藍(lán)色：輸出電壓；綠色：輸入電壓；青色：M1電流。

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總而言之，該電路是一種簡單但穩(wěn)健且通用的解決方案，可從光伏電源獲得穩(wěn)壓電壓。該設(shè)計(jì)很容易適應(yīng)其他電壓或電流需求。