CN87101231A

CN87101231A - 电功率传输设备

Info

Publication number: CN87101231A
Application number: CN87101231.6A
Authority: CN
Inventors: 斯图尔特·马克斯韦尔·沃金森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-12-19
Publication date: 1988-07-06
Also published as: WO1988004801A1; CN1012454B; AU603859B2; AU1086588A; PH25015A; CH676515A5; US5001415A

Abstract

公开的功率传输设备(40)用以通过转换电力变换器(45)控制从阻挡层光电池的阵列(41)将电功率传输至电力负载(46)。转换电力变换器是由调节器 (58)控制以维持光电阵列(41)的输出电压在光电阵列的开路电压的固定比值，相适应的固定比值是在 0.75和0.8之间，从而由光电阵列传输的功率达到最大。光电阵列的开路电压通过在一定的间隔禁止转换电力变换器的工作短的取样周期来检测，以及使电容器(52)在取样周期内充电至光电阵列的开路电压。

Description

本发明涉及电功率传输设备。

本发明特别但不是唯一应用于电功率从阻挡层光电池传输至电负载或能量存储器件，且为说明目的对这种应用作出介绍。然而，应该明白的是本发明可以应用于其他电功率生产的用途，在这些用途中，例如热电变换器中，显示出输出功率和可测量的工作特性之间的可预测的关系。

电功率源，例如阻挡层光电池，具有潜在的功率输出，该功率输出随着光电池受的曝光强度而大大改变。此外，对于给定的光强度级（曝晒）这种电池具有功率输出特性曲线，该曲线是电池或电池阵列的实际输出功率对加于其上的电负载的电阻的关系曲线。

阻挡层光电池各自具有相当低的功率输出，且通常以串联、并联或串并联组合电气连接的电池阵列使用。对本说明书来说，采用一阵列意思是指以任何有用的组合连接的任何数目的电池。

当负载电阻为无穷大时，电流为零，而为电压和电流的乘积的功率输出也为零。在这工作点的电池电压被称为开路电压。当负载电阻下降至零时，流有短路电流而输出电压下降至零。因此在这工作点输出功率也必为零。

对于无穷大和零之间的负载电阻，输出电压和输出电流的乘积给出阻挡层光电池输出功率的量度。对特定的电池可以划出电压、电流和功率输出作为负载电阻的函数的曲线。该曲线特性上是一在某负载电阻值上有一最大输出的光滑曲线。可以划出一族这种曲线，各曲线表示在某曝晒值的电池特性。对各曲线，功率输出峰值出现在负载电阻的不同值。

在大多数的应用中，例如由阳光照射产生电功率;由于在日间太阳在天空中上升和下降以及由于云层变化的结果，曝晒连续地变化。如果加于电池的负载电阻连续调节以保证始终获得在特定的曝晒值下导致最高输出功率的负载电阻、电压和电流值，由在变化曝晒的条件下工作的阻挡层光电池或一电池阵列将获得一段时间间隔的最高能量输出。

阻挡层光电池方面的另一问题是产生最大功率的那些电压，与某些用途例如电池充电或其中是需要固定输出电压的操作装置所需的电压电平无关。这问题可通过使用一转换电力变换器来克服。这是一个将有用的输入功率变换成不同的电压和电流电平的电子器件。与阻挡层光电池一起使用的普通转换电力变换器不能在任何时间使功率发送为最大，这是由于这些变换器不能改变它们的操作参数以保证阻挡层光电池在它们的最大功率点工作。

在已知的电力变换器中，控制是用传统的自适应控制原理实行的。这种类型的变换器控制器不断地干扰设定点和测量在选择的输出或输入参数上的干扰的影响。如果获得改进，控制器移动设定点，直到在各方向控制参数的干扰在选择的参数中产生恶化为止。这种控制器在设计和制造方面是非常复杂的，而在宽的动态范围是有限的准确度，因此不适于控制常用的光电池装置的功率。

电力变换器设计方面的另一问题是转换输入电流耗散热的转换半导体，以及这热量必须从半导体传导离开，以便维持半导体在可接受的工作温度。安装转换半导体使用着许多方法。然而，大多数方法需要有效的手工技巧和复杂的安装程序。

在常用的变换器设计中有源的转换半导体一般与例如“续流”（freewheeling）二极管的无源转换半导体相联系。在转换半导体和有关的无源转换半导体之间的导电路径的电感必须最小，如果要使变换器可靠地和有效地操作。一般的安装技术经常导致电感水平较要求的为高。

本发明目的在于减少上述的缺点和提供可以可靠和有效使用的功率传输设备。本发明的其他目的和优点将从下文可以更加明白。

在考虑上述和其他目的情况下，本发明在一个方面大致属于功率传输控制设备，用以控制从阻挡层光电池阵列供应至负载的功率，所述控制设备包括：

一监测器件用以监测所述阵列的工作特性;

一可以连接至所述阵列和所述监测器件的比较器;以及

与所述比较器有关的调节装置用以调节由所述阵列传输的功率。

调节装置最好通过控制一转换电力变换器调节由光电阵列传输的功率，当然必要时虽然也可使用其他的控制装置，例如控制加于光电阵列的负载电阻。

监测器件最好通过测量阻挡层光电池阵列的输出电压提供一阵列的开路的指示，而例如通过阻止转变电力变换器的工作来中断输出电流或将输出电流减至零。当然，，必要时可以采用例如测量单独的阻挡层光电池阵列的开路电压的其他方式，提供阻挡层光电池阵列的开路电压的指示。

阻挡层光电池阵列输出电流可以在随机的间隔中断短的取样周期。然而，来自阻挡层光电池阵列的输出电流最好在一定的间隔一定的取样周期是设定至零，且使取样周期相对于该间隔为短，从而由于中断功率使输出能量的损失减至最小。适当地，电流在十秒的间隔中断50毫秒的取样周期，但必要时可以采用取样周期和取样间隔的任何组合。但是取样周期对取样间隔的比例最好维持在小于百分之一，而其优选值为百分之一的一半。

比较器需要连续地使用阻挡层光电池阵列的开路电压。适当地，可以通过任何或模拟型式或数字型式的已知取样和保持技术在取样周期之间的取样间隔期间维持开路电压。然而，阻挡层光电池阵列的开路电压最好作为电荷存储在电容器中，电容器由阻挡层光电池阵列通过一阻塞二极管在取样周期期间被充电至开路基准电压。当阻挡层光电池阵列的输出电压下降而电流从其流出时，阻塞二极管对阻挡层光电池阵列可以使电容器中的电荷损失减至最小。相适应地，将电阻器与电容器并联放置，从而电容器上存储的电压可以随着时间逐渐地下降以使电容器上存储的电压跟随阻挡层光电池阵列的开路基准电压降低。

比较器可提供开路电压和阵列输出电压之间的相对值的指示，且可控制调节装置以维持阵列输出电压在所需的比值。

调节装置可以操作以调节从阵列传输的功率以维持阵列的输出电压在指示的开路电压的选择比值。选择比值最好维持在一常数值，该常数必要时可以在0.75和0.80间的范围内。这个比值已经发现可提供一个对任何曝晒程度阻挡层光电池阵列的功率输出接近最大值的条件。

转换电力变换器也可以有其由来自转换电力变换器的输入端或输出端的反馈控制的工作特性，从而功率变换设备的输出可以受控制，以维持选择的电压或电流特性，例如为了在电池已充满电以后维持一电池浮动电压电平的恒定输出电压。

在另一方面，本发明属于从阻挡层光电池至负载传输功率的一种方法，包括：

将来自所述阻挡层光电池阵列的输出电压，维持在所述阻挡层光电池阵列的开路电压的0.75和0.80之间的一电压上;以及

将来自所述阻挡层光电池阵列的所述功率馈送至所述负载。

在又另一方面，本发明属于构成电子开关设备的一种方法，包括：

将一段中空压制的铝合金盒部分用作散热装置;

将一转换半导体放置在所述盒部分在下端的一侧;

将另一转换半导体放置在所述侧的相对表面且靠近所述转换半导体;

将所述转换半导体和所述另一转换半导体通过穿过在所述盒部分上一孔的公共紧固件附加在所述盒部分上，所述紧固件连接所述转换半导体和所述另一转换半导体，且将所述转换半导体和所述另一转换半导体夹在所述盒部分上，从而提高了所述转换半导体和所述盒部分之间的热传输;

将另外的电子元件安装在印刷电路板上;

将所述半导体和所述另一转换半导体的引线彼此靠近的连接至印刷电路板，从而在所述半导体和所述另一转换半导体之间导电路径中的电感效应被减至最小，且从而使所述盒部分的一端靠近所述印刷电路板;

将封装材料放置在所述盒部分内。

为了使对本发明更易理解和付诸实施，现介绍说明本发明最佳实施例的附图，其中：

图1是阻挡层光电池阵列的常用电压-电流特性曲线图;

图2是一种功率变换设备的方框图;

图3是另一个功率变换设备的方框图;以及

图4是电力转换设备的简图。

图1表示在特定温度下阳光曝晒的不同数值的一组电压-电流曲线10、11和12。电压-电流曲线10、11和12分别在短路电流点14、15和16与电流轴13相交，这些点代表短路电流的数值，该短路电流在主要的条件下可从阻挡层光电池阵列获得。电压-电流曲线10、11和12也与电压轴17相交，交点分别为开路电压点18、19和20，而这些点代表开路电压数值，该开路电压在主要的条件下可以从阻挡层光电池阵列获得。

最大功率点21、22和23是在各自的曲线10、11和12上的各点，在这些点上的电压和电流的乘积是一最大值。最大功率点的轨迹24是一通过所有电压-电流曲线的最大功率点的曲线。对于主要条件的一范围为了达到由阻挡层光电池阵列输出可能的最大功率，必须改变在阻挡层光电池阵列的负载，使得阻挡层光电池阵列的电流-电压条件保持在最大功率点的轨迹24上。

从最大功率点21、22和23投影在电压轴17上，产生最大功率点电压25、26和27。参阅图1，对于阻挡层光电池阵列，最大功率点电压25、26和27用各自的开路电压18、19和20来除，得出一常数值0.77。

图2中所示的功率变换器装置40，从由阻挡层光电池42组成的阻挡层光电池阵列41得到其功率。阻挡层光电池阵列41的正端43和负端44被连接至转换电力变换器45，而后者依次被连接至负载46。

振荡器47被连接至转换电力变换器45上的禁止控制功能元件，而在每十秒钟禁止转换电力变换器45工作50毫秒。二极管51的阳极连接至阻挡层光电池阵列的正端43，其阴极连接至电容器52。电容器52的另一端被连接至阻挡层光电池阵列41的负端44。

上电阻器53和下电阻器54在电容器52的两端形成一电阻性分压器，而电阻器53和54之间的接头被连接至比较器57的一个输入端。比较器57的另一输入端被连接至包括正-轨电阻器55和负-轨电阻器56的电阻分压器的公共连接点。

电阻器53和54与55和56的相对值被配置得使当阻挡层光电池阵列41两端43和44间的电压为电容器52两端电压的百分之七十七时施加于比较器57的两输入端的电压相等。比较器57的输出端被连接至调节器58，该调节器58控制转换电力变换器45。

在使用中，电功率是由阻挡层光电池阵列41产生，且被馈送至转换电力变换器45，该变换器45将有效的功率变换成适合负载46的电阻的电压和电流。

每十秒钟，振荡器47禁止转换电力变换器45工作五十毫秒。在这段时间中，从阻挡层光电池阵列41提取的电流下降为零，而阻挡层光电池阵列41两端43和44的电压上升至阻挡层光电池阵列的开路电压。流经二极管51的电流将电容器52充电至接近于阻挡层光电池阵列41的开路电压的电压。

当振荡器47中止禁止转换电源的操作时，两端43和44上的电压下降至其负载的数值，而二极管51使离开电容器52的电流减至最小。端43和44间的电压和电容器52两端的电压的相对值是经常地由比较器57进行比较，根据阻挡层光电池阵列41的工作电压是小于还是大于按照由电容器52两端电压确定的、阻挡层光电池阵列41的开路电压的百分之七十七，从比较器57输出端发信号给调节器58以增加或减少由阻挡层光电池阵列41流出的功率。

比较器57比较这些电压，且控制调节器58以使43和44两端的电压维持在电容器52两端电压的百分之七十七。

电容器52上的电荷通过电阻器53和54逐渐地漏去，使得电容器52两端的电压逐渐地下降，以致它随着阻挡层光电池阵列的开路电压下降。

如图3所示，功率变换器装置60从由阻挡层光电池62组成的光电功率阵列61得到其功率。由阻挡层光电池62组成的单独的基准阵列63设置在功率阵列61的附近，使得它经受与功率阵列61相同的曝晒和温度条件。

在这些条件下，基准阵列63的开路电压将与功率阵列61的开路电压成正比。功率阵列61的正端64和负端65被连接至转换电力变换器66，后者被依次连接至负载67。

比较器68的一个输入端连接至包括正-轨电阻器69和负-轨电阻器70的电阻性分压器的中点。基准阵列63的负端与功率阵列61的负端65共同连接，而基准阵列63的正端被连接至由上电阻器71和下电阻器72组成的电阻性分压器。电阻器71和72的接头被连接至比较器68的第二输入端。

电阻器69和70与71和72的相对值被配置得使在考虑阵列61和63的各自的开路电压的比例之后当功率阵列61两端的电压是基准阵列63两端的电压的百分之七十七时，至比较器68的两输入端之间的电压差为零。比较器68的输出控制调节器73，该调节器73依次控制转换电力变换器66的工作。

在使用中，电功率是由功率阵列61产生，且被馈送至转换电力变换器66，该变换器66将有效的功率变换成适合负载67的电阻的电压和电流。

端64和65间的电压和基准阵列63两端的电压的相对值是经常地由比较器68进行比较，根据功率阵列61的工作电压是小于还是大于按照由基准阵列63的开路电压确定的、功率阵列61的开路电压的百分之七十七，从比较器68输出端发信号给调节器73以增加或减少由功率阵列61流出的功率。

图4中所示的电力转换设备80，包括第一转换半导体81和第二转换半导体82。第一转换半导体81被安装在散热装置84的内表面83上，而第二转换半导体82被安装在散热装置84的外表面85上，与转换半导体81相对。

转换半导体81和82是用云母绝缘材料薄片86来与散热装置84电气绝缘，而通过螺栓87夹住与散热装置84接触，该螺栓87穿过在散热装置84上的孔88，且该螺栓87是与散热装置84绝缘的。

转换半导体81和82底座上的连接引线89穿过印刷电路板90上的引线孔，且被焊接到印刷电路板90下侧的导电印刷线上。封装材料91被放置在由散热装置和印刷电路板组成的盒内。

当然应当认识到当通过本发明的说明性实例已经给出上面的内容时，所有这种或其他的修改或变更对本专业领域内的普通技术人员是显而易见的，而这种修改或变更是属于由所附权利要求书所限定的本发明的广阔范围和界线之内。

Claims

1、用以控制将电功率从阻挡层光电池阵列传送至负载的功率传输控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：

一监测器件用以监测所述阻挡层光电池阵列的工作特性；

一可以连接至所述阻挡层光电池阵列和所述监测器件的比较器；以及

与所述比较器有关的调节装置用以调节由所述阻挡层光电池阵列传输的功率。

2、根据权利要求1所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述监测器件提供一所述阻挡层光电池阵列的开路电压的指示，而所述调节装置调节由所述阻挡层光电池阵列传输的功率，以维持所述阻挡层光电池阵列的输出电压在指示的开路电压的选择比值。

3、根据权利要求2所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述比值是维持的常数。

4、根据权利要求3所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述比值是在0.75和0.80之间的范围内。

5、根据任一上述的权利要求所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述监测器件包括一独立于所述阻挡层光电池阵列的阻挡层光电池。

6、根据任一上述的权利要求所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述监测器件是一配置以待由所述阻挡层光电池阵列充电的电容器，且配备中断装置用以中断来自阻挡层光电池阵列的电流。

7、根据权利要求6所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述中断装置中断所述电流一取样周期，该取样周期与连续的取样周期之间的间隔相比是短的持续时间。

8、根据权利要求7所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述取样周期是小于所述间隔的百分之一。

9、根据任一上述的权利要求所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述比较器提供一所述开路电压和所述阻挡层光电池阵列输出电压间相对值的指示，且控制所述调节装置以维持所述阻挡层光电池阵列输出电压在所需的比值上。

10、根据权利要求6所述的功率传输控制设备，其特征在于，所述电容器通过一二极管被连接至所述阻挡层光电池阵列。

11、根据权利要求10所述的功率传输控制设备，其特征在于，一电阻器与所述电容器并联配置。

12、根据权利要求2所述的功率变换设备，其特征在于，所述调节装置的所述工作参数也由所述功率变换设备的输入或输出参数的反馈来控制。

13、用以控制将电功率从功率源传送至负载的功率传输控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：

一监测器件用以监测所述功率源的工作特性;

一可以连接至所述阻挡层光电池阵列和所述监测器件的比较器;以及

14、一种从阻挡层光电池传输功率至负载的方法，其特征在于，该方法包括：

将所述阻挡层光电池阵列的输出电压维持在所述阻挡层光电池阵列的0.75和0.80开路电压间的电压;以及

将所述阻挡层光电池阵列的所述功率馈送至所述负载。

15、一种构成电子转换设备的方法，其特征在于，该方法包括：

提供一段中空压制的铝合金盒部分用作散热装置;

将一转换半导体放置在所述盒部分在下端的一侧;

将所述转换半导体和所述另一转换半导体通过穿过在所述盒部分上一孔的公共紧固件附加在所述盒部分上，所述紧固件连接所述转换半导体和所述另一转换半导体;

将所述转换半导体和所述另一转换半导体夹在所述盒部分上;

将另外的电子元件安装在印刷电路板上;

将所述转换半导体和所述另一转换半导体的引线彼此靠近的连接至所述印刷电路板，从而在所述转换半导体和所述另一转换半导体之间导电路径中的电感效应被减至最小，且从而使盒部分的一端靠近所述印刷电路板;

将封装材料放置在所述盒部分内。

16、大体上按照上面参照附图所叙述的功率传输控制设备。