Podrobný popis solárního regulátoru nabíjení a jeho konstrukčních prvků – RAGGIE
Jak všichni víme, solární panel má I-V křivku, která představuje výstupní výkon solárního panelu a představuje hodnoty proudu a napětí. Napětí a proud reprezentované průsečíkem těchto dvou čar představují výkon solárního panelu. Nevýhodou je, že I-V křivka se mění s ozářením, teplotou a stářím. Ozáření je hustota záření na daném povrchu, obvykle vyjádřená ve wattech na centimetr čtvereční nebo metr čtvereční. Pokud solární panel nemá mechanické sledování slunečního záření, bude se ozáření v průběhu roku měnit o přibližně ±23 stupňů s pohybem slunce. Kromě toho denní změny ozáření, jak se slunce pohybuje od horizontu k horizontu, mohou způsobit, že se výstupní výkon v průběhu dne mění. Za tímto účelem společnost ON Semiconductor vyvinula regulátor solárních článků NCP1294, který umožňuje dosáhnout sledování bodu maximálního špičkového výkonu (MPPT) solárního panelu a nabíjet baterii s maximální energetickou účinností. Tento článek představí některé z hlavních vlastností tohoto zařízení a otázky, kterým je třeba při jeho použití věnovat pozornost.
PWM regulátor s vylepšeným napěťovým režimem
Solární regulátor nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT je napěťový PWM regulátor s pevnou frekvencí, který obsahuje všechny základní funkce potřebné pro napěťový provoz. Solární regulátor nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT je optimalizován pro vysokofrekvenční primární regulační operace a disponuje pulzním omezením proudu a obousměrnou synchronizací, čímž podporuje solární panely až do výkonu 140 W. Funkce MPPT, kterou toto zařízení poskytuje, dokáže detekovat bod maximálního výkonu a upravit jej v reálném čase podle podmínek prostředí, čímž udržuje regulátor blízko bodu maximálního výkonu, čímž ze solárního panelu extrahuje maximální výkon a zajišťuje nejlepší energetickou účinnost.
Kromě toho má solární regulátor nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT také funkce, jako je pozvolný start, přesná regulace limitu pracovního cyklu, zapínací proud pod 50 μA a ochrana proti přepětí a podpětí. V solárních aplikacích lze solární regulátor nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT použít jako flexibilní řešení pro správu napájení na úrovni modulů (MLPM). Referenční design založený na NCP1294 má maximální chybu sledování výkonového bodu menší než 5 % a dokáže nabíjet čtyři baterie zapojené sériově nebo paralelně.
Srdcem systému je výkonová část, která musí odolávat vstupnímu napětí od 12 V do 60 V a produkovat výstupní napětí od 12 V do 36 V. Protože rozsah vstupního napětí pokrývá požadované výstupní napětí, je pro podporu aplikace vyžadována topologie buck-boost. Vývojáři si mohou vybrat z několika topologií: SEPIC, neinvertující buck-boost, flyback, single-switch forward, dual-switch forward, half-můstek, full-můstek nebo jiné topologie.
Součástí návrhu je i zvýšení izolační topologie na základě požadavků na napájení. Stav nabití baterie je řízen pomocí vhodných nabíjecích algoritmů. Instalatér solárních panelů si může zvolit výstupní napětí a rychlost nabíjení baterie. Protože regulátor bude připojen k solárním panelům, měl by mít sledování bodu maximálního výkonu, aby byla zajištěna vysoká hodnota pro koncového uživatele. Regulátor má dva kladné zapínací obvody. Jeden obvod detekuje noční čas a druhý detekuje stav nabití baterie, aby se zabránilo vybití baterie externím obvodem do bodu poškození. Protože regulátor budou instalovat terénní technici a nováčci s různou úrovní zkušeností, je důležité, aby vstupy a výstupy byly chráněny proti přepólování. Regulátor a baterie mohou být navíc instalovány v extrémně horkém nebo chladném místě a regulátor by měl pro nabíjení baterie používat teplotní kompenzaci. Návrh by měl také zahrnovat bezpečnostní prvky, jako je detekce přepětí baterie a detekce podpětí solárního panelu.
Aby bylo možné z proměnného zdroje energie (například solárního panelu) získat maximální výkon, musí solární regulátor používat MPPT. MPPT musí nejprve najít bod maximálního výkonu a včas upravit podmínky prostředí, aby regulátor udržel blízko bodu maximálního výkonu. Dynamický MPPT se používá, když se systém mění. Protože se to mění s každým spínacím cyklem, bude se s každým cyklem významně měnit i výkon spotřebovaný solárním panelem. Dynamický MPPT používá úbytek napětí na solárním panelu vynásobený rostoucím proudem každého spínacího cyklu k určení chybového signálu, který bude generován pro úpravu pracovního cyklu. Dynamická odezva určuje sklon I-V křivky, čímž vytváří náběh výkonu, který nastavuje výkon reprezentující pracovní cyklus od bodu, kde se chybový signál protíná. Cyklus končí, když se sklon náběhu změní z kladného na záporný.
Řízení režimu přímého napětí
V tradičním režimu řízení napětí má signál náběhu a poklesu pevný sklon. Signál zpětné vazby pochází pouze z výstupního napětí. V důsledku toho jsou linky pro řízení napětí méně nastavitelné a mají slyšitelnou citlivost. Řízení režimu dopředné vazby napětí pochází ze vstupního vedení signálu náběhu. Sklon náběhu se proto mění se vstupním napětím. Funkce dopředné vazby také poskytuje voltsekundovou svorku, která omezuje maximální součin vstupního napětí a doby sepnutí. Blokovací obvody v obvodech, jako jsou dopředné a zpětné měniče, lze použít k zabránění saturace transformátoru. Proces návrhu aplikace solárního regulátoru nabíjení NCP1294
Při výběru topologie solárního regulátoru je důležité porozumět základnímu provozu měniče a jeho omezením. Zvolená topologie je neinvertující, čtyřpásmová, nesynchronní buck-boost topologie. Měnič pracuje s řídicím signálem z NCP1294, přičemž Q1 a Q2 současně vedou proud k nabíjení L1. Čtyřpásmová buck-boost topologie, která používá induktor k řízení napětí a proudu.
Čtyřspínačový neinvertující buck-boost měnič má dva provozní režimy: buck a buck-boost. V buck režimu měnič generuje vstupní napěťové impulsy, které jsou filtrovány LC, aby se vytvořilo nižší stejnosměrné výstupní napětí. Výstupní napětí lze měnit změnou doby sepnutí vzhledem k periodě spínání nebo kmitočtu spínání.
Pokud výstupní napětí může dosáhnout 1 % – 89 %, solární regulátor pracuje v režimu buck. Pokud tohoto výstupního napětí nelze dosáhnout z důvodu omezení pracovního cyklu, přepne se do režimu buck-boost, kde ho je dosaženo. Změňte z 89 % na nižší pracovní cyklus.
Je důležité si uvědomit, že když se režim měniče přepne z režimu buck na buck-boost, bude nějakou dobu trvat, než chybový signál změní pracovní cyklus. Krátkodobá změna režimu způsobí, že se měnič buck-boost pokusí přepnout při pracovním cyklu 89 % a pokusí se o převod při 47 %; to bude mít za následek, že se měnič pokusí dodat do oblasti výměny napětí 130 V. NCP1294 poskytuje impulz přes omezovač přepěťového proudu, který zabraňuje dosažení nebezpečných úrovní energie měničem a zajišťuje plynulý přechod za podmínek pracovního cyklu.
Pro vytvoření stabilního napájení je nutné použít kompenzační síť kolem chybového zesilovače v kombinaci s PWM generátorem a výkonovým stupněm. Vzhledem k tomu, že standardy pro návrh výkonového stupně jsou stanoveny na základě aplikace, musí mít kompenzační síť správný celkový výstup, aby byla zajištěna stabilita. NCP1294 je dopředné napěťové zařízení, a proto vyžaduje napěťovou smyčku, která využívá vstupní napětí ke změně sklonu. Výstupní indukčnost a kapacita výkonového stupně mohou vytvořit dvojitý pól, který musí smyčka kompenzovat.
Spuštění systému a spotřeba energie baterie
Vytvářený systém propojuje dva koncové zdroje, které budou dodávat energii do zátěže v různých denních dobách a nebudou dodávat energii současně, s výjimkou krátkých časových úseků. Systém není kompletní a nemá nainstalované baterie ani solární panely, což usnadňuje detekci přítomnosti nebo nepřítomnosti bateriových zátěží a zdrojů ze solárních panelů. Pokud například baterie není připojena, nebude odebírat energii ze solárního panelu, když je na ni přivedeno napětí. Pokud je solární panel připojen, baterie se při hledání solárního panelu, ke kterému by se připojila, vybije. Jednoduchým řešením pro testování připojení solárního panelu a baterie je použití komparátoru s nízkým proudem.
Během dne systém nabíjí baterie a v noci se baterie vybíjejí, aby osvětlily určitou oblast. I když vstupní energie není zaručena, výstupní energie může zůstat po dlouhou dobu nezměněná. Pokud systém není správně dimenzován, může dojít k poškození baterie vybitím. Aby se zabránilo poškození baterie, je nutné použít LED obvod, který blokuje provoz a zabraňuje vybití baterie.
Vyvážení vstupního a výstupního proudu
Při vytváření ideálního solárního regulátoru musí regulátor chránit baterii nebo zátěž a zároveň ze solárního panelu extrahovat maximální energii. V reálném světě si bohužel zákazník nebo instalační technik může zakoupit velký solární panel a malou baterii. Pokud se solární regulátor nabíjí při špičkovém výkonu, baterie se nabije příliš rychle, což zkrátí její životnost nebo potenciálně způsobí její explozi. Regulátor musí řídit spotřebu baterie vyvažováním rychlosti nabíjení na základě špičkového výkonu poskytovaného solárními panely. Nastavení a výběr maximální rychlosti nabíjení baterie proto vyžaduje určení, jak omezit výstupní proud systému. Nastavení proudu se provádí pomocí referenčního napětí 3,3 V a dělicí sítě s odporem, kterou poskytuje NCP1294. Zkratováním jednoho nebo více konektorů se dosáhne různých proudových limitů.
Ochrana proti přepólování
Kromě běžných přechodových jevů solárních panelů existují čtyři různé možnosti zapojení vstupu a výstupu. V prvním případě jsou vstup a výstup zapojeny správně a není nutná žádná ochrana. Ve druhém případě je vstupní napětí zapojeno obráceně. Pokud by za těchto podmínek protékal proud, mohly by se poškodit všechny výstupní diody.
Dioda zapojený v sérii se vstupem B nebo C však může chránit všechna zařízení. Jednou z nevýhod sériové diody je, že neustále rozptyluje systémový výkon. Pokud jsou diody s ochranou proti přepólování umístěny ve vysokoproudých systémech, mohou být ztráty značné. Dalším způsobem implementace ochrany proti přepólování je umístit diodu tak, aby při přivedení zpětného napětí rozpojovala pojistku, jak je znázorněno na obrázku 5D. Zvolenou pojistkou může být uživatelem vyměnitelná pojistka nebo polytermální pojistka. Pojistky mohou poskytnout potřebnou ochranu, ale mohou vést k neoptimálnímu uživatelskému zážitku. Nízkoztrátovým způsobem, jak zajistit ochranu diody proti přepólování, je použití MOSFETu, který vede, když má přivedené napětí správnou polaritu, a vypíná, když je napětí nesprávné.
Ve třetím případě, pokud je výstup připojen s obrácenou polaritou a vstup je připojen správně, mohou být napájecí komponenty poškozeny. Vzhledem k tomu, že zdroj je považován za olověný akumulátor, je ochrana zásadní, protože poškozené komponenty mohou spotřebovávat velké množství energie. Obrázek 5 B ukazuje jednu metodu, jak zabránit obrácenému výstupnímu napětí.
Poslední situací je, že vstupní a výstupní připojení jsou nesprávná. V tomto případě, pokud konstruktér implementuje druhou a třetí ochranu, bude chráněn vstup i výstup. Konstruktéři by neměli přehlížet odrušovací prvky napětí, které jsou instalovány na vstupu přechodových napětí, jež mohou mít správnou polaritu, ale nemusí. Proto je důležité mít obousměrný odrušovací prvek přechodového napětí, který odolá normálním napětím s obrácenou polaritou bez poškození.
Olověné akumulátory probíhají ve třech fázích nabíjení: nabíjení konstantním proudem nebo vysokým proudem, absorpční režim nebo režim konstantního napětí a udržovací nabíjení. Během nabíjení vysokým proudem je proud udržován konstantní pomocí pulzního zdroje proudu a obvodu pro regulaci proudu NCP1294. Pokud bod maximálního výkonu není pod touto úrovní, proud zůstane na úrovni nabíjecí rychlosti nastavené konstruktérem nebo uživatelem, přičemž nabíjení bude probíhat na úrovni maximální rychlosti regulace bodu maximálního výkonu.
Solární regulátor nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT je vybaven komparátorem OOV, který dokáže monitorovat výstupní napětí baterie a zjistit, zda je mechanismus zpětné vazby poškozený nebo zda je dálková detekce ovlivněna napětím baterie, které překračuje kompenzaci teploty baterie. Systém se po odpojení OOV vypne. Komparátory lze použít na vstupu nebo výstupu systému, ale doporučují se jako bezpečnostní mechanismus pro výstup. Při použití systému s jednou baterií můžete použít vypínací bod 18V nebo nastavit vypínací bod na základě stavu nabití. Pokud se používá stav plovoucího napětí, musíte jako vypínací napětí nastavit 15V.
Funkce ochrany proti podpětí (OUV) solárního regulátoru nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT monitoruje vstupní napětí střídače, aby zjistila, zda by úroveň vstupního napětí mohla způsobit problémy s teplotou. OUV dokáže nezávisle monitorovat vstupní napětí, aby zajistil, že vstupní napětí je na ideální úrovni pro zajištění maximálního výstupního výkonu.
Funkce jednorázového hesla
Vzhledem k tomu, že solární regulátor může být používán nesprávně, doporučuje se sledovat teplotu hlavního spínače buck měniče, aby se zjistilo, zda nepřekračuje maximální teplotní úroveň. Pokud teplota hlavního MOSFETu překročí odpovídající úroveň, ochrana proti přehřátí (OTP) může potlačit proud a snížit tak spotřebu energie systému.
Solární regulátor nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT je zařízení s nízkým příkonem. Jakmile je určena ztrátová kapacita integrovaného obvodu, může konstruktér vypočítat tepelný odpor potřebný k udržení specifikované teploty spoje při nejhorším případě okolní teploty. Tepelný výkon solárního regulátoru je vysoce závislý na uspořádání desky plošných spojů. Během procesu návrhu je třeba věnovat zvláštní pozornost zajištění toho, aby integrovaný obvod a výkonový spínač fungovaly v doporučených podmínkách prostředí. Jakýkoli návrh napájecího zdroje by měl projít příslušnými laboratorními testy, aby se zajistila požadovaná spotřeba energie za nejhorších provozních podmínek. Mezi proměnné, které se během testování berou v úvahu, patří maximální okolní teplota, minimální průtok vzduchu, maximální vstupní napětí, maximální zátěž a variace součástek (např. nejhorší případ RDSON MOSFET).
Vyhodnocovací deska solárního regulátoru nabíjení RAGGIE Power 60A 80A 100A MPPT podporuje solární panely od 5W do 120W. Zde jsou uvedeny standardní typy solárních panelů v průmyslu. Nejběžnějším typem solárních článků je krystalický křemík, který se dodává ve dvou hlavních typech: monokrystalický a polykrystalický. Monokrystalický křemík je energeticky nejúčinnější, ale jeho výroba je také dražší a obecně se omezuje na komerční a rezidenční aplikace. Amorfní solární panely jsou vyrobeny z tenké vrstvy taveného křemíku nanesené na nerezovou ocel nebo podobné materiály. Krystalická struktura je velmi křehká a obvykle je pro ochranu vložena mezi dva kusy skla. Monokrystalický křemík má účinnost 18 %, polykrystalický křemík má účinnost 15 % a amorfní křemík má účinnost 10 %.
Díky tomuto multifunkčnímu a flexibilnímu řešení mohou inženýři navrhovat vhodné produkty podle požadavků různých solárních panelů, což koncovým uživatelům umožňuje využívat pohodlí a lepší uživatelský zážitek, které poskytuje pokročilá polovodičová technologie.