直通与功率变换双模式的功率优化装置及集成控制电路的制作方法

1.本公开涉及光伏功率优化及其控制电路技术领域，具体涉及一种直通与功率变换双模式的功率优化装置及集成控制电路。


背景技术：

2.组件级电力电子（module_level_power_electronics，mlpe），是指能对单个或几个光伏组件进行精细化控制的电力电子设备。通常来说，mlpe组件配置有能对单个光伏组件进行功率变换和最大功率点跟踪（mppt）的功率优化器。
3.在光伏并网发电系统中，多个mlpe组件相互输出串联将构成mlpe光伏组串，mlpe光伏组串再接入后级的逆变设备进一步变换后并网。传统的系统中，后级的逆变设备也承担了对光伏组串的mppt功能，在辐照、温度和性能一致性好的情况下，每个组件都能运行于最大功率点。事实上，在更多的情况下，光伏组串中各组件的辐照、温度和性能等时不一致的，因而mlpe组件可独立地进行mppt将提升使光伏功率的获取效率。但是，mlpe组件中设置的电感和开关等器件也将增加功率损耗。为此，mlpe光伏组串中，根据辐照、温度和性能等情况的不同，若部分mlpe组件能将光伏板与mlpe光伏组串直接连通，而其余mlpe组件则进行功率变换和mppt，则将进一步地增加系统的效率。
4.在mlpe组件中，判断及确认运行在直通模式还是功率变换模式，将要求控制芯片能执行复杂的逻辑运算和准确的程序控制。传统的功率优化器的控制芯片将检测的参数信号进行逻辑运算以跟踪最大功率，但不具备参数监视、复杂逻辑判断及通信等功能，难以实现两种模式维持和切换判断。但是，功率优化器的控制芯片采用数字架构，虽然能实现参数监视、复杂逻辑判断及通信，但执行最大功率点跟踪的分辨率和性能则难以满足要求。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种直通与功率变换双模式的功率优化装置及集成控制电路，可实现功率优化装置在功率变换模式下高分辨率及高性能而在直通模式下功率损耗低，同时控制电路兼具结构简单、低成本及高性能等的特点。
6.为了实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种功率优化装置，包括：asic芯片和功率电路，所述功率电路包括直流变换电路和直通开关电路；所述直流变换电路包括耦合到光伏模块的输入端口，耦合到mlpe光伏组串的输出端口，第一开关，以及第二开关；所述第一开关的第一端连接至输入端口的正极，所述第一开关的第二端连接于第二开关的第一端，所述第二开关的第二端连接于输入端口的负极，所述第一开关与第二开关之间的中间端口直接或间接地连接于输出端口的正极；所述直通开关电路包括第三开关，所述第三开关的第一端连接于输入端口的正极，所述第三开关的第二端连接于输出端口的正极；所述asic芯片包括电流电压检测电路、乘法器、最大功率点跟踪电路、模式控制电路、逻辑控制及驱动电路，所述电流电压检测电路用于采集输入端口的电压和电流，或者采集输出端口的电压和电流；所述乘法器用于将输入端口的电压与电流相乘以得到直流变换电路的
输入功率，或者所述乘法器用于将输出端口的电压与电流相乘以得出直流变换电路的输出功率；所述最大功率点跟踪电路用于根据输入功率或输出功率，跟踪确定当前的最大功率，并根据所述当前最大功率，确定脉宽调制信号，将脉宽调制信号输出到逻辑控制及驱动电路；所述模式控制电路，用于根据接收到第一模式信号和第二模式信号生成相应信号状态输出到逻辑控制及驱动电路；所述逻辑控制及驱动电路用于在输入所述第一模式信号时，利用所述脉宽调制信号控制第一开关和第二开关的高频通断，以使功率电路运行于功率变换模式，用于在输入所述第二模式信号时，则至少控制第二开关断开，以使功率电路运行于直通模式。
7.上述功率优化装置可选的，所述逻辑控制及驱动电路包括逻辑控制电路、第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，所述第一驱动单元驱动连接于第一开关，所述第二驱动单元驱动连接于第二开关，所述第三驱动单元驱动连接于第三开关；当逻辑控制电路接收第一模式信号时，功率电路运行于功率变换模式，逻辑控制电路利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元控制第一开关高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元控制第二开关高频通断，通过第三驱动单元控制第三开关断开；当逻辑控制电路接收第二模式信号时，功率电路运行于直通模式，逻辑控制电路通过第二驱动单元控制第二开关断开，通过第三驱动单元控制第三开关导通。
8.上述功率优化装置可选的，所述逻辑控制及驱动电路包括逻辑控制电路、第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元驱动连接于第一开关，所述第二驱动单元驱动连接于第二开关；当逻辑控制电路接收第一模式信号时，功率电路运行于功率变换模式，逻辑控制电路利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元控制第一开关高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元控制第二开关高频通断；当逻辑控制电路接收第二模式信号时，功率电路运行于直通模式，逻辑控制电路通过第二驱动单元控制第二开关断开。
9.上述功率优化装置可选的，所述功率电路还包括信号发生电路，所述信号发生电路的输出端连接于模式控制电路的输入端，所信号发生电路设置有调修开关；通过控制调修开关导通或断开，相应地驱使所述信号发生电路在模式控制电路的输入端生成第一模式信号或第二模式信号。
10.上述功率优化装置可选的，所述第三开关的导通电阻阻值被配置为低于所述第一开关的导通电阻阻值。
11.上述功率优化装置可选的，所述电流电压检测电路用于采集输入端口正极的电压，输入端口负极的电压和中间端口的电压；所述电流电压检测电路用于根据输入端口正极的电压与中间端口的电压确定第一开关的电流，根据中间端口的电压与输入端口负极的电压确定第二开关的电流，将所述第一开关的电流和第二开关的电流相加确定输出端口的电流；以及，所述电流电压检测电路用于根据输出端口正极的电压与输入端口负极的电压确定输出端口的电压。
12.上述功率优化装置可选的，还包括本地管理器，所述本地管理器用于在功率变换模式时，获取本地的当前占空比，判断当前占空比是否超出预设的占空比阈值，若结果为是，则本地管理器改变模式控制电路的输入状态而使之生成第二模式信号，若结果为否，则本地管理器维持模式控制电路的输入状态而使之继续生成第一模式信号；所述本地管理器
用于在直通模式时，获取直通模式的持续时间并判断是否超出时间阈值，若结果为是，则本地管理器改变模式控制电路的输入装填而使之生成第一模式信号，若结果为否，则本地管理器维持模式控制电路的输入状态而使之继续生成第二模式信号；或者，所述本地管理器用于在直通模式时，判断是否经通讯获取上位设备发送的信号或指令，若结果为是，则本地管理器改变模式控制电路的输入装填而使之生成第一模式信号，若结果为否，则本地管理器维持模式控制电路的输入状态而使之继续生成第二模式信号。
13.为了实现上述目的，在第二方面，本发明提供了一种集成控制电路，包括专用于控制功率电路的asic芯片，该功率电路包括用于耦合至光伏单元的输入端口、用于耦合至mlpe光伏组串的输出端口，用于耦合在输入端口和输出端口间用于功率变换的第一开关，用于耦合在输出端口正负极间用于同步续流的第二开关，用于在导通时短接所述输入端口和输出端口的第三开关，所述asic芯片包括电流电压检测电路、乘法器、最大功率点跟踪电路、模式控制电路、逻辑控制及驱动电路，所述电流电压检测电路用于采集输入端口的电压和电流，或者采集输出端口的电压和电流；所述乘法器用于将输入端口的电压与电流相乘以得到直流变换电路的输入功率，或者所述乘法器用于将输出端口的电压与电流相乘以得出直流变换电路的输出功率；所述最大功率点跟踪电路用于根据输入功率或输出功率，跟踪确定当前的最大功率，并根据所述当前最大功率，确定脉宽调制信号，将脉宽调制信号输出到逻辑控制及驱动电路；所述模式控制电路，用于根据接收到第一模式信号和第二模式信号生成相应信号状态输出到逻辑控制及驱动电路；所述逻辑控制及驱动电路用于在输入所述第一模式信号时，利用所述脉宽调制信号控制第一开关和第二开关的高频通断，以使功率电路运行于功率变换模式，用于在输入所述第二模式信号时，停止利用所述脉宽调制信号控制第一开关和第二开关，以使功率电路运行于直通模式。
14.上述集成控制电路可选的，所述逻辑控制及驱动电路包括逻辑控制电路、第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，所述第一驱动单元驱动连接于第一开关，所述第二驱动单元驱动连接于第二开关，所述第三驱动单元驱动连接于第三开关；当逻辑控制电路接收第一模式信号时，功率电路运行于功率变换模式，逻辑控制电路利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元控制第一开关高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元控制第二开关高频通断，通过第三驱动单元控制第三开关断开；当逻辑控制电路接收第二模式信号时，功率电路运行于直通模式，逻辑控制电路通过第二驱动单元控制第二开关断开，通过第三驱动单元控制第三开关导通。
15.上述集成控制电路可选的，所述逻辑控制及驱动电路包括逻辑控制电路、第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元驱动连接于第一开关，所述第二驱动单元驱动连接于第二开关；当逻辑控制电路接收第一模式信号时，功率电路运行于功率变换模式，逻辑控制电路利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元控制第一开关高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元控制第二开关高频通断；当逻辑控制电路接收第二模式信号时，功率电路运行于直通模式，逻辑控制电路通过第二驱动单元控制第二开关断开。
16.与现有技术相比，本发明有益效果如下：（1）本发明的功率优化装置，一方面，功率电路设置了直流变换电路和直通开关电路，通过控制直流变换电路和直通开关电路的运作，使功率优化装置可独立运行于功率变
换模式或直通模式，实现功率变换时的最大功率点跟踪效率高而直通时的功率损耗低，另一方面，asic芯片不仅设置电流电压检测电路、乘法器和最大功率点跟踪电路，能利用检测的电参数生成用于控制功率电路的能够跟踪最大功率的脉宽调制信号，同时asic芯片还设置了模式控制电路和逻辑控制及驱动电路，实现将脉宽调制信号和接收的模式信号相结合来控制功率电路运行在功率变换模式和直通模式之间，使用时在确认模式后可向asic芯片发送相应的模式信号来实现模式的维持与切换，具有简化控制架构、提高变换控制分辨率及增强运行稳定性等的效果。整体上，有利于光伏发电系统的降本增效，能够实现绿色节能，便于光伏发电的推广。
17.（2）本发明的集成控制电路，专用于光伏的功率电路，不仅设置电流电压检测电路、乘法器和最大功率点跟踪电路，能利用检测的电参数生成用于控制功率电路的能够跟踪最大功率的脉宽调制信号，同时，还设置了模式控制电路和逻辑控制及驱动电路，实现将脉宽调制信号和接收的模式信号相结合来控制功率电路运行在功率变换模式和直通模式之间，使用时仅根据接收到的模式信号相应地控制功率电路的模式，具有简化控制架构、提高变换控制分辨率及增强运行稳定性等的效果。
18.（3）本发明的集成控制电路，可采集光伏单元及功率电路电压电流信号，通过模拟乘法器得到功率信号，以此调节脉宽调制信号的占空比，以实现发电组件最大功率点的追踪，避免模数转换与后续的运算放大过程，简化了外围器件，有效降低了成本，并有利于实现功率优化装置中电路集成度的提高；相较于数字信号的功率优化控制，本发明集成控制电路的模拟环路，省去了微处理器的计算时间，提高了响应速度和处理精度。
19.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
20.图1为本发明第一具体实施例的功率优化装置的电路结构示意图；图2为本发明第一具体实施例的集成控制电路的电路结构示意图。
21.图3为本发明第二具体实施例的功率优化装置的电路结构示意图；图4为本发明第二具体实施例的集成控制电路的电路结构示意图。
具体实施方式
22.为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例说明本发明，但不作为限制本发明的范围。
23.如图1至图4所示，是基于本发明的实施例的一种直通与功率变换双模式的功率优化装置。该功率优化装置主要包括功率电路10和asic芯片20两个部分。其中，功率电路10起到对所接光伏单元进行功率变换的作用，在变换后再提供给mlpe光伏组串。asic芯片20起到控制功率电路10运行的作用。需说明，mlpe光伏组串是指多个光伏组件相互串联，每个光伏组件都配置了所述的功率优化装置，即具备组件级的电力电子的特点。
24.为实现本发明目的，本实施例的功率电路10由直流变换电路11和直通开关电路12两部分组成。直流变换电路11起到将输入的光伏单元电力经变换后输出到mlpe光伏组串的作用，而直通开关电路12起到绕过直流变换电路11而直接将输入的光伏单元电力连通到mlpe光伏组串的作用。详细来说，直流变换电路11主要包括输入端口vi、输出端口vo、第一
开关m1和第二开关m2。输入端口vi用于连接到光伏单元的输出，即作为功率优化装置的光伏电力输入。输出端口vo用于连接到mlpe光伏组串，即作为功率优化装置的光伏电力输出。第一开关m1的第一端连接于输入端口vi的正极，第一开关m1的第一端连接至输入端口vi的正极，第一开关m1的第二端连接于第二开关m2的第一端，第二开关m2的第二端连接于输入端口vi的负极，第一开关m1与第二开关m2之间的中间端口直接或间接地连接于输出端口vo的正极。换言之，直流变换电路11采取了buck降压型变换拓扑结构，对第一开关m1的高频通断控制，可实现降压功率变换，而对第二开关m2的高频通断控制，可实现变换过程的同步续流。直通开关电路12直通开关电路12包括第三开关m3，第三开关m3的第一端连接于输入端口vi的正极，第三开关m3的第二端连接于输出端口vo的正极。换言之，控制第三开关m3导通，将使得输入端口vi的正极和输出端口vo的正极的短接，即光伏单元直接连通到mlpe光伏组串，而控制第三开关m3断开，则输入端口vi的电力将经过第一开关m1和第二开关m2的功率变换后才在输出端口vo输出。
25.为了控制功率电路10，asic芯片20包括内部供电电路201、基准电压产生电路202、电流电压检测电路203、乘法器204、最大功率点跟踪电路205、模式控制电路206和逻辑控制及驱动电路210。详细来说，内部供电电路201用于利用输入端口vi的光伏电力为asic芯片20内部供电。基准电压产生电路202用于生成基准电压，并提供给最大功率点跟踪电路205，以确定脉冲调制信号的基准电压。电流电压检测电路203用于采集直通变换电路的输出端口vo的电压信号u_out和电流信号i_out。乘法器204用于将电流电压检测电路203采集到的输出端口vo的电压信号u_out和电流信号i_out相乘，以得到直流变换电路11的输入功率。最大功率点跟踪电路205用于根据输出功率跟踪确定当前的最大功率，并根据当前最大功率确定脉宽调制信号，将脉宽调制信号输出到逻辑控制及驱动电路210。模式控制电路206用于根据接收到第一模式信号和第二模式信号，并生成相应的信号状态输入到逻辑控制及驱动电路210。逻辑控制及驱动电路210结合输入的脉宽调制信号和模式信号状态，以控制功率电路10运行在功率变换模式和直通模式之间。当模式控制电路206接收到第一模式信号，则逻辑控制及驱动电路210利用脉宽调制信号控制第一开关m1和第二开关m2，当模式控制电路206接收到第一模式信号，则逻辑控制及驱动电路210利用脉宽调制信号控制第一开关m1和第二开关m2，当模式控制电路206接收到第二模式信号，则逻辑控制及驱动电路210将直接控制第二开关m2断开。
26.需说明的是，在判断功率优化装置应处于功率变换模式时，可将asic芯片20的模式控制电路206的输入模式信号设置为第一模式信号，同时断开第三开关m3，则asic芯片20将控制功率电路10进行功率变换和最大功率点跟踪，而逻辑控制及驱动电路210将利用脉宽调制信号控制第一开关m1和第二开关m2高频通断。在判断功率优化装置应处于直通模式时，可将asic芯片20的模式控制电路206的输入模式信号设置为第二模式信号，同时导通第三开关m3，则逻辑控制及驱动电路210将不再控制第一开关m1和第二开关m2高频通断，而是控制直流变换电路11的第二开关m2断开。
27.由此可见，asic芯片20不仅能利用检测的电参量生成可跟踪最大功率点的脉宽调制信号并控制第一开关m1和第二开关m2，而且通过所设的模式控制电路206和逻辑控制及驱动电路210，使得asic芯片20在直通模式时可将第二开关m2从高频通断的控制状态切换为断开状态，从而避免了直流变换电路11的输出端口vo在高频通断时的漏电，使直通开关
电路12能正常运行并切换为直通模式。
28.可以理解的是，在根据本发明的其他实施例中，电流电压检测电路203还可以用于检测直流变换电路11的输入端口vi的电压信号u_in和电流信号i_in。相应地，乘法器204连接于电流电压检测电路203，并将输入端口vi的电压信号u_in和电流信号i_in相乘，以得到功率电路10的输出功率。相应地，最大功率点跟踪电路205将根据输入功率跟踪确定当前的最大功率。
29.本实施例中，本地管理器30用于确认当前是运行于功率变换模式还是运行直通模式。其中，本地管理器30可以向asic芯片20的模式控制电路206发送第一模式信号和第二模式信号。当本地管理器30根据判断条件确认当前应运行于功率变换模式，则向asic芯片20的模式控制电路206发送第一模式信号。当本地管理器30根据判断条件确认当前应运行于直通模式，则向asic芯片20的模式控制电路206发送第二模式信号。本地管理器30采取数字架构，具备逻辑运算、程序判断、通讯等多种功能，除了能够完成本实施例的双模式确认，还可以拓展其他管理功能。
30.由此可见，本实施例的功率优化装置，不仅能利用asic芯片20简单的控制结构实现功率变换和直通的双模式，而且还能利用本地管理器30实现双模式的确认，以及实现其他诸如组件级快速断开等复杂情况的判断和管理。
31.在本实施例中，为了获取输出端口vo的电流信号i_out，一方面，电流电压检测电路203连接于输入端口vi正极，并检测输入端口vi正极的电压v1；同时电流电压检测电路203连接于第一开关m1和第二开关m2间的中间端口，并检测中间端口的电压v2；电流电压检测电路203将输出端口vo正极电压v1和中间端口电压v2的电压差值除以第一开关m1的导通电阻阻值。可计算出第一开关m1的电流i1。另一方面，电流电压检测电路203还连接于接地端，也就是输入端口vi和输出端口vo的负极，并检测接地端的电压v3；电流电压检测电路203将中间端口电压v2和接地端电压v3的电压差值除以第二开关m2的导通电阻阻值，可计算出第二开关m2的电流i2。进一步，电流电压检测电路203将第一开关m1的电流i1和第二开关m2的电流i2相加，即可得出输出端口vo的电流信号i_out。为了获取输出端口vo的电压信号u_out，电流电压检测电路203还连接于输出端口vo正极，并输出端口vo正极的电压v4，将计算输出端口vo正极的电压v4和接地端（即输出端口vo负极）的电压v3的电压差值，获得输出端口vo的电流信号u_out。需要说明的是，电流电压检测电路203可采集的直流变换电路11的电参量信号，采用模拟运算的方式获取处理后的信号，无需进行模数转换及后续信号放大等处理，实现结构简单、高稳定性地实现功率变换和最大功率点跟踪功能。
32.在本实施例中，关于功率电路10的结构，详细来说，直流变换电路11为降压型，其具有输入端口vi、输出端口vo、第一开关m1、第二开关m2、电感l、输入电容c1、输出电容c2和旁路二极管d1。其中，直流变换电路11的输入端口vi可用于耦合至光伏单元输出一端，直流变换电路11的输出端口vo可用于耦合至mlpe光伏组串。第一开关m1的第一端连接于输入端口vi正极，第一开关m1的第二端连接于第二开关m2的第一端，第二开关m2的第二端连接于输出端口vo负极，直流变换电路11的输入端口vi负极和输出端口vo负极分别连接接地端，第一开关m1的和第二开关m2之间的中间端口连接于电感l的第一端，电感l的第二端连接于输出端口vo正极。输入电容c1的两端分别连接于输入端口vi的正负极之间，输出电容c2的两端分别连接于输出端口vo的正负极之间。旁路二极管d1的阳极连接于输出端口vo的负
极，旁路二极管d1的阴极连接于输出端口vo。可利用脉冲调制信号控制第一开关m1，可使得第一开关m1高频通断，使得电感l高频充能和释能，从而实现功率变换和最大功率点跟踪。可利用脉冲调制信号的互补信号控制第二开关m2，也可以使得第二开关m2高频通断。在第一开关m1导通时段内第二开关m2维持断开，相反，在第一开关m1断开时段内第二开关m2维持导通，从而实现同步续流的作用。
33.在一个实施例中，所述的功率优化装置包括功率电路10、asic芯片20和本地管理器30三个部分。本地管理器30用于确定向asic芯片20发送何种模式信号，详细来说，本地管理器30内预设有占空比阈值d_ref，直通模式持续时间t_ref和模式变更指令。本地管理器30可获取直流变换电路11的当前占空比相关的电参数，获取功率电路10处于直通模式的持续时间t，以及以通信方式获取如光伏逆变器等的后级变换设备所发送的与模式设置与变更相关的信号或指令。
34.在初始启动时，本地管理器30默认向asic芯片20发送第一模式信号，功率电路10运行于功率变换模式。
35.在功率电路10运行于功率变换模式时，本地管理器30判断是否从向asic芯片20发送第一模式信号切换为向asic芯片20发送第二模式信号。具体是，本地管理器30检测直流变换电路11的输入端口vi的电压u_in和输出电压u_out，根据buck降压型的直流变换电路11的特点，以u_out/u_in计算出直流变换电路11的当前占空比d。本地管理器30将当前占空比d与预设的占空比阈值d_ref进行比较，若当前占空比d小于占空比阈值d_ref，则本地管理器30向asic芯片20发送第一模式信号（即将功率电路10维持在功率变换模式），若当前占空比d等于或大于占空比阈值d_ref，则本地管理器30向asic芯片20发送第二模式信号（即将功率电路10切换为直通模式）。
36.在功率电路10运行于直通模式时，本地管理器30判断是否从向asic芯片20发送第二模式信号切换为向asic芯片20发送第一模式信号。该判断的条件可以是，根据直通模式的持续时间t是否超出预设时间阈值t_ref，或者根据是否接收到后级变换设备的模式变更指令。一个具体方式可以是：若直通模式持续时间t小于时间阈值t_ref且未收到模式变更指令，则本地管理器30向asic芯片20发送第二模式信号（即将功率电路10维持在直通模式）；若直通模式持续时间t小于时间阈值t_ref且收到模式变更指令，或者若未收到模式变更指令且直通模式持续时间t等于或大于时间阈值t_ref，则本地管理器30向asic芯片20发送第一模式信号（即将功率电路10切换为功率变换模式）。
37.为便于理解，示意性而不作限定地，本实施例所述的mlpe光伏组串接入到光伏逆变器的dc/dc变换前级。光伏逆变器可控制dc/dc变换前级的输入侧电压上升，mlpe光伏组串的电压也将随之上升，从而使得每个mlpe组件中直流变换电路11的输出端口vo的电压信号u_out上升。由于辐照、环境温度及光伏效率等的差异，mlpb光伏组串中各个mlpe组件100存在3%的运行差异性。换言之，各个mlpe组件的当前最大功率有大约3%的范围差异。本实施例的功率优化装置配置在光伏板中构成mlpe组件。mlpe光伏组串中设置有30个mlpe组件。
38.如上表格为示例，在状态a时，mlpe光伏组串被设置在1200v。组串中各个mlpe组件根据本地最大功率点将直流变换电路11的输出电压u_out设置在40
±
0.6v的范围内。同时，环境差异对光伏板的输出电压影响较少，因而每个mlpe组件中的直流变换电路11的输入电压u_in将大致相当地设置在45v。进一步，各mlpe组件中的直流变换电路11运行占空比d分布在0.889
±
0.03的范围内，各本地管理器30都将根据d＜d_ref而发送第一模式信号，功率电路10设在功率变换模式。因此，通过控制dc/dc变换前级的输入侧电压上升，可促使输出电压u_out和占空比d上升，从而使部分的mlpe组件运行在直通模式。在状态b时，mlpe光伏组串以上升的方式被设置在1290v。每个mlpe组件的输入电压u_in仍设在45v，而各个mlpe组件随着mlpe光伏组串而上升为43
±
0.6v的范围。进一步，各mlpe组件中的直流变换电路11运行占空比d分布在0.956
±
0.03的范围内。因此，占空比在[0.941,0.97）范围的mlpe组件，本地管理器30将判断出d＜d_ref而改变模式信号并发送第一模式信号，继而这部分mlpe组件的asic芯片20控制功率电路10维持在功率变换模式；占空比在[0.97,0.985]的范围的mlpe组件，本地管理器30将判断出d≥d_ref而改变模式信号并发送第二模式信号，继而这部分mlpe组件的asic芯片20控制功率电路10切换为直通模式。
[0039]
由此可见，随着对后级变换设备对输入侧电压的调节，可使得预设目标数量的mlpe组件运行在直通模式。从上文可知，在直通模式下，第一开关m1和电感l将可以不再消耗光伏电力，从而实现低功耗。在功率变换模式下，脉宽调制信号是直通变换电路的电参量信号直接运算确定，从而实现高效率。值得说明的是，本发明是利用了结构简单、成本低且高控制分辨率的asic芯片20，来实现上述低功耗及高效率目的。
[0040]
关于在模式控制电路206生成第一模式信号和第二模式信号，在本实施例中，功率电路10还包括信号发生电路13。详细来说，信号发生电路13包括r1电阻和调修开关m4。asic芯片20设置有mode端和vdd端。调修开关m4的第二端连接于直流变换电路的接地端，调修开关m4的第一端连接于r1电阻的一端。r1电阻的另一端作为信号发生电路的输出端，并连接于模式控制电路206的输入端，即asic芯片20的mode端。同时，r1电阻的另一端经r2电阻连接于vdd端。r2电阻经电容连接于接地端，以使vdd端具有高电平电压。当调修开关m4断开，则vdd端、r2电阻、r1电阻和mode端连通，而r1电阻与接地端未被接通，模式控制电路206获得vdd端的高电平的输入，即接收到第一模式信号。当调修开关m4导通，则r1电阻和接地端被连通，模式控制电路206获得接地端的低电平的输入，即接收到第二模式信号。进一步，本地管理器30连接于调修开关m4的控制端，若本地管理器30判断当前应为功率变换模式，则控制调修开关m4断开，若本地管理器30判断当前应为直通模式，则控制调修开关m4导通。
[0041]
第一具体实施例如图1所示，是根据本发明的第一具体实施例图示的功率优化装置，该装置包括功率电路10、asic芯片20和本地管理器30三个部分。如图2所示，是根据本发明第一具体实施
例的集成控制电路，该集成控制电路被配置为上述asic芯片20。
[0042]
详细来说，功率电路10由直流变换电路11和直通开关电路12组成。直流变换电路11包括输入端口vi、输出端口vo、第一开关m1、第二开关m2、电感l、输入电容c1、输出电容c2和旁路二极管d1。直通开关电路12包括第三开关m3。其中，第一开关m1的第一端连接于输入端口vi正极，第一开关m1的第二端连接于第二开关m2的第一端，第二开关m2的第二端连接于输出端口vo负极，直流变换电路11的输入端口vi负极和输出端口vo负极分别连接接地端，第一开关m1的和第二开关m2之间的中间端口连接于电感l的一端，电感l的另一端连接于输出端口vo正极。第三开关m3的第一端连接于输入端口vi的正极，第三开关m3的第二端连接于输出端口vo的正极。
[0043]
详细来说，asic芯片20包括内部供电电路201、基准电压产生电路202、电流电压检测电路203、乘法器204、最大功率点跟踪电路205、模式控制电路206、逻辑控制电路214、第一驱动单元211、第二驱动单元212和第三驱动单元213。asic芯片20设置了vcc端、vdd端、switch-h端、switch-l端、vout端、agnd端、dr-driver端、hd-driver端、ld-driver端和mode端。vcc端对外用于连接于直流变换电路11的输入端口vi，vcc端对内连接于内部供电电路201、基准电压产生电路202和vdd端。vdd端对外用于经r2电阻和电容连接于接地端，以在基准电压产生电路202产生基准电压u_ref。同时，基准电压产生电路202连接于最大功率点跟踪电路205，以确定生成的脉宽调制信号所需的基准电压u_ref。
[0044]
详细来说，switch-h端对外用于连接至直流变换电路11的输入端口vi正极，switch-l端对外用于连接至第一开关m1和第二开关m2之间的中间端口，vout端对外用于连接至直流变换电路11的输出端口vo正极，agnd端对外连接于直流变换电路11的接地端。switch-h端、switch-l端、vout端和agnd端分别对内连接于电流电压检测电路203。一方面，电流电压检测电路203根据switch-h端电压v1和switch-l端电压v2确定第一开关m1的压差，再根据第一开关m1的压差与第一开关m1的导通电阻阻值（预设常数值）计算出第一开关m1的电流i1。同时，电流电压检测电路203根据switch-l端电压v2和接地端电压v3确定第二开关m2的压差，再第二开关m2的压差和第二开关m2的导通电阻阻值（预设常数值）计算出第二开关m2电流i2。最后，电流电压检测电路203第一开关m1的电流i1和第二开关m2电流i2求和得到直流变换电路11的输出电流i_out，并提供给乘法器204。另一方面，电流电压检测电路203根据vout端电压v4和接地端电压v3的压差，确定直流变换电路11的输出电压u_out，并提供给乘法器204。乘法器204将直流变换电路11的输出电流i_out和输出电压u_out计算出输出功率p_out，并提供给最大功率点跟踪电路205。最大功率点跟踪电路205根据输出功率p_out确定脉宽调制信号，并提供给逻辑控制电路214，确定生成的脉宽调制信号所需的输出功率p_out。
[0045]
mode端对外径r1电阻和调修开关m4连接于直流变换电路11的接地端。mode端对内连接于模式控制电路206，以向模式控制电路206发送第一模式信号或第二模式信号。模式控制电路206连接于逻辑控制电路214，以向其输出相应信号状态。
[0046]
逻辑控制电路214的输入一侧分别连接有最大功率点跟踪电路205和模式控制电路206，逻辑控制电路214的输出一侧分别连接有第一驱动单元211、第二驱动单元212和第三驱动单元213。第一驱动单元211通过hd-driver端连接到外部的第一开关m1，第二驱动单元212通过ld-driver端连接到外部的第二开关m2，第三驱动单元213通过dr-driver端连接
到外部的第三开关m3。换言之，asic芯片20不仅控制直流变换电路11而且控制直通开关电路12。
[0047]
当调修开关m4为断开状态，asic芯片20的mode端与vdd端连接，模式控制电路206接收到高电平信号（即第一模式信号）并向逻辑控制电路214发送相应的信号状态，逻辑控制电路214根据信号状态和脉宽调制信号，利用脉宽调制信号经第一驱动单元211控制第一开关m1高频通断，利用与脉宽调制信号互补的信号经第二驱动单元212控制第二开关m2高频通断，而经第三驱动单元213控制第三开关m3维持断开，使得功率电路10运行在功率变换模式。
[0048]
当调修开关m4为导通状态，asic芯片20的mode端与接地端连接，模式控制电路206接收到低电平信号（即第二模式信号）并向逻辑控制电路214发送相应的信号状态，逻辑控制电路214根据信号状态和脉宽调制信号，经第三驱动单元213控制第三开关m3导通，经第二驱动单元212控制第二开关m2断开，经第一驱动单元211控制第一开关m1导通或断开，使得功率电路10器运行在直通模式。
[0049]
由此可见，本实施例的集成控制电路可将脉宽调制信号和模式信号相结合地控制功率电路10运行在功率变换及直通的两种模式下。
[0050]
第二具体实施例如图3所示，是根据本发明的第二具体实施例图示的功率优化装置，该装置包括功率电路10、asic芯片20和本地管理器30三个部分。如图4所示，是根据本发明第二具体实施例的集成控制电路，该集成控制电路被配置为上述asic芯片20。在第二具体实施例中，功率电路10由上述各实施例的直流变换电路11和直通开关电路12组成。其中，直流变换电路11包括输入端口vi、第一开关m1、第二开关m2和输出端口vo。asic芯片20包括内部供电电路201、基准电压产生电路202、电流电压检测电路203、乘法器204、最大功率点跟踪电路205、模式控制电路206、逻辑控制电路214、第一驱动单元211、第二驱动单元212。asic芯片20设置了vcc端、vdd端、switch-h端、switch-l端、vout端、agnd端、hd-driver端、ld-driver端和mode端。asic芯片20的mode端对外经r1电阻和修调开关连接到直流变换电路11的接地端。
[0051]
需说明，与第一具体实施例相比，在第二具体实施例中，asic芯片20不包括第三驱动单元213和hd-driver端。asic芯片20在使用时，不再控制功率电路10的第三开关m3。本地管理器30的输出端连接于调修开关m4的控制端，并且本地管理器30的输出端还连接于第三开关m3的控制端。在功率变换模式下，本地管理器30将控制调修开关m4断开，asic芯片20将接收到第一模式信号，逻辑控制与驱动电路210将利用脉宽调制信号控制第一开关m1高频通断，且利用与脉宽调制信号互补的信号控制第二开关m2高频通断；同时本地管理器30也将控制第三开关m3断开，从而控制功率电路10进行功率变换和最大功率点跟踪。在直通模式下，本地管理器30将控制调修开关m4导通，asic芯片20将接收到第二模式信号，逻辑控制与驱动电路210将控制第一开关m1导通和断开，控制第二开关m2断开；同时本地管理器30也将控制第三开关m3导通，从而控制功率电路10直接连通光伏单元和mlpe光伏组串。
[0052]
由此可见，本实施例的集成控制电路可进一步简化，仅用于控制功率电路10的直流变换电路11。功率电路10的直通开关电路12的控制，则随着本地管理器30对调修开关m4控制而一同控制。值得说明的是，集成控制电路在接收到第二模式信号时对第二开关m2的断开控制，可避免直流变换电路11的输出端口vo因第二开关m2高频导通而漏电，是实现直
通模式的关键一环。
[0053]
在上述各实施例中，可以理解的，在一种方案下，asic芯片20在直通模式时可控制第一开关m1导通，则第一开关m1和第三开关m3相互并联连通，从而进一步降低光伏电力在直通模式下的损耗。在相应的另一种方案下，asic芯片20在直通模式时可控制第一开关m1断开，则仅由第三开关m3将输入端口vi和输出端口vo连通。这将允许第一开关m1在直通模式下能够暂停运作。对于前一种方案，逻辑控制与驱动电路210，在直通模式时，可将脉宽调制信号设置并固定在100%，从而第一开关m1将持续地导通，而第二开关m2将持续地断开。
[0054]
在上述各实施例中关于功率变换模式和直通模式，详细来说，第一开关m1、第二开关m2和第三开关m3均为mosfet开关管。功率电路10的第三开关m3可选用导通电阻阻值较低的电阻，而第一开关m1可相对地选用导通电阻阻值较高的电阻。一般来说，为了满足关断和高频通断的要求，第一开关m1的导通电阻阻值将被限定于较高的水平。第三开关m3无需运行于高频通断的状态下，采用较低的导通电阻阻值可以进一步降低功率变换的损耗。
[0055]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0056]
以上实施例主要描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种功率优化装置，其特征在于包括：asic芯片(20)和功率电路(10)，所述功率电路(10)包括直流变换电路(11)和直通开关电路(12)；所述直流变换电路(11)包括耦合到光伏模块的输入端口(vi)，耦合到mlpe光伏组串的输出端口(vo)，第一开关(m1)，以及第二开关(m2)；所述第一开关(m1)的第一端连接至输入端口(vi)的正极，所述第一开关(m1)的第二端连接于第二开关(m2)的第一端，所述第二开关(m2)的第二端连接于输入端口(vi)的负极，所述第一开关(m1)与第二开关(m2)之间的中间端口直接或间接地连接于输出端口(vo)的正极；所述直通开关电路(12)包括第三开关(m3)，所述第三开关(m3)的第一端连接于输入端口(vi)的正极，所述第三开关(m3)的第二端连接于输出端口(vo)的正极；所述asic芯片(20)包括电流电压检测电路(203)、乘法器(204)、最大功率点跟踪电路(205)、模式控制电路(206)、逻辑控制及驱动电路(210)，所述电流电压检测电路(203)用于采集输入端口(vi)的电压和电流，或者采集输出端口(vo)的电压和电流；所述乘法器(204)用于将输入端口(vi)的电压与电流相乘以得到直流变换电路(11)的输入功率，或者所述乘法器(204)用于将输出端口(vo)的电压与电流相乘以得出直流变换电路(11)的输出功率；所述最大功率点跟踪电路(205)用于根据输入功率或输出功率，跟踪确定当前的最大功率，并根据所述当前最大功率，确定脉宽调制信号，将脉宽调制信号输出到逻辑控制及驱动电路(210)；所述模式控制电路(206)，用于根据接收到第一模式信号和第二模式信号生成相应信号状态输出到逻辑控制及驱动电路(210)；所述逻辑控制及驱动电路(210)用于在输入所述第一模式信号时，利用所述脉宽调制信号控制第一开关(m1)和第二开关(m2)的高频通断，以使功率电路(10)运行于功率变换模式，用于在输入所述第二模式信号时，则至少控制第二开关(m2)断开，以使功率电路(10)运行于直通模式。2.如权利要求1所述的一种功率优化装置，其特征在于，所述逻辑控制及驱动电路(210)包括逻辑控制电路(214)、第一驱动单元(211)、第二驱动单元(212)和第三驱动单元(213)，所述第一驱动单元(211)驱动连接于第一开关(m1)，所述第二驱动单元(212)驱动连接于第二开关(m2)，所述第三驱动单元(213)驱动连接于第三开关(m3)；当逻辑控制电路(214)接收第一模式信号时，功率电路(10)运行于功率变换模式，逻辑控制电路(214)利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元(211)控制第一开关(m1)高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)高频通断，通过第三驱动单元(213)控制第三开关(m3)断开；当逻辑控制电路(214)接收第二模式信号时，功率电路(10)运行于直通模式，逻辑控制电路(214)通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)断开，通过第三驱动单元(213)控制第三开关(m3)导通。3.如权利要求1所述的一种功率优化装置，其特征在于，所述逻辑控制及驱动电路(210)包括逻辑控制电路(214)、第一驱动单元(211)和第二驱动单元(212)，所述第一驱动单元(211)驱动连接于第一开关(m1)，所述第二驱动单元(212)驱动连接于第二开关(m2)；
当逻辑控制电路(214)接收第一模式信号时，功率电路(10)运行于功率变换模式，逻辑控制电路(214)利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元(211)控制第一开关(m1)高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)高频通断；当逻辑控制电路(214)接收第二模式信号时，功率电路(10)运行于直通模式，逻辑控制电路(214)通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)断开。4.如权利要求1所述的一种功率优化装置，其特征在于，所述功率电路(10)还包括信号发生电路(13)，所述信号发生电路(13)的输出端连接于模式控制电路(206)的输入端，所信号发生电路(13)设置有调修开关(m4)；通过控制调修开关(m4)导通或断开，相应地驱使所述信号发生电路(13)在模式控制电路的输入端生成第一模式信号或第二模式信号。5.如权利要求1所述的一种功率优化装置，其特征在于，所述第三开关(m3)的导通电阻阻值被配置为低于所述第一开关(m1)的导通电阻阻值。6.如权利要求1所述的一种功率优化装置，其特征在于，所述电流电压检测电路(203)用于采集输入端口(vi)正极的电压，输入端口(vi)负极的电压和中间端口的电压；所述电流电压检测电路(203)用于根据输入端口(vi)正极的电压与中间端口的电压确定第一开关(m1)的电流，根据中间端口的电压与输入端口(vi)负极的电压确定第二开关(m2)的电流，将所述第一开关(m1)的电流和第二开关(m2)的电流相加确定输出端口(vo)的电流；以及，所述电流电压检测电路(203)用于根据输出端口(vo)正极的电压与输入端口(vi)负极的电压确定输出端口(vo)的电压。7.如权利要求1所述的一种功率优化装置，其特征在于，还包括本地管理器(30)，所述本地管理器(30)用于在功率变换模式时，获取本地的当前占空比，判断当前占空比是否超出预设的占空比阈值，若结果为是，则本地管理器(30)改变模式控制电路(206)的输入状态而使之生成第二模式信号，若结果为否，则本地管理器(30)维持模式控制电路(206)的输入状态而使之继续生成第一模式信号；所述本地管理器(30)用于在直通模式时，获取直通模式的持续时间并判断是否超出时间阈值，若结果为是，则本地管理器(30)改变模式控制电路(206)的输入装填而使之生成第一模式信号，若结果为否，则本地管理器(30)维持模式控制电路(206)的输入状态而使之继续生成第二模式信号；或者，所述本地管理器(30)用于在直通模式时，判断是否经通讯获取上位设备发送的信号或指令，若结果为是，则本地管理器(30)改变模式控制电路(206)的输入装填而使之生成第一模式信号，若结果为否，则本地管理器(30)维持模式控制电路(206)的输入状态而使之继续生成第二模式信号。8.一种集成控制电路，包括专用于控制功率电路(10)的asic芯片(20)，该功率电路(10)包括用于耦合至光伏单元的输入端口(vi)、用于耦合至mlpe光伏组串的输出端口(vo)，用于耦合在输入端口(vi)和输出端口(vo)间用于功率变换的第一开关(m1)，用于耦合在输出端口(vo)正负极间用于同步续流的第二开关(m2)，用于在导通时短接所述输入端口(vi)和输出端口(vo)的第三开关(m3)，其特征在于，所述asic芯片(20)包括电流电压检测电路(203)、乘法器(204)、最大功率点跟踪电路(205)、模式控制电路(206)、逻辑控制及驱动电路(210)，
所述电流电压检测电路(203)用于采集输入端口(vi)的电压和电流，或者采集输出端口(vo)的电压和电流；所述乘法器(204)用于将输入端口(vi)的电压与电流相乘以得到直流变换电路(11)的输入功率，或者所述乘法器(204)用于将输出端口(vo)的电压与电流相乘以得出直流变换电路(11)的输出功率；所述最大功率点跟踪电路(205)用于根据输入功率或输出功率，跟踪确定当前的最大功率，并根据所述当前最大功率，确定脉宽调制信号，将脉宽调制信号输出到逻辑控制及驱动电路(210)；所述模式控制电路(206)，用于根据接收到第一模式信号和第二模式信号生成相应信号状态输出到逻辑控制及驱动电路(210)；所述逻辑控制及驱动电路(210)用于在输入所述第一模式信号时，利用所述脉宽调制信号控制第一开关(m1)和第二开关(m2)的高频通断，以使功率电路(10)运行于功率变换模式，用于在输入所述第二模式信号时，停止利用所述脉宽调制信号控制第一开关(m1)和第二开关(m2)，以使功率电路(10)运行于直通模式。9.如权利要求8所述的集成控制电路，其特征在于，所述逻辑控制及驱动电路(210)包括逻辑控制电路(214)、第一驱动单元(211)、第二驱动单元(212)和第三驱动单元(213)，所述第一驱动单元(211)驱动连接于第一开关(m1)，所述第二驱动单元(212)驱动连接于第二开关(m2)，所述第三驱动单元(213)驱动连接于第三开关(m3)；当逻辑控制电路(214)接收第一模式信号时，功率电路(10)运行于功率变换模式，逻辑控制电路(214)利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元(211)控制第一开关(m1)高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)高频通断，通过第三驱动单元(213)控制第三开关(m3)断开；当逻辑控制电路(214)接收第二模式信号时，功率电路(10)运行于直通模式，逻辑控制电路(214)通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)断开，通过第三驱动单元(213)控制第三开关(m3)导通。10.如权利要求8所述的集成控制电路，其特征在于，所述逻辑控制及驱动电路(210)包括逻辑控制电路(214)、第一驱动单元(211)和第二驱动单元(212)，所述第一驱动单元(211)驱动连接于第一开关(m1)，所述第二驱动单元(212)驱动连接于第二开关(m2)；当逻辑控制电路(214)接收第一模式信号时，功率电路(10)运行于功率变换模式，逻辑控制电路(214)利用所述脉宽调制信号通过第一驱动单元(211)控制第一开关(m1)高频通断，利用所述脉宽调制信号的互补信号通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)高频通断；当逻辑控制电路(214)接收第二模式信号时，功率电路(10)运行于直通模式，逻辑控制电路(214)通过第二驱动单元(212)控制第二开关(m2)断开。

技术总结
本发明公开了一种直通与功率变换双模式的功率优化装置及集成控制电路，涉及光伏功率优化及其控制电路技术领域。本发明一方面，功率电路设置了直流变换电路和直通开关电路，实现功率变换时的最大功率点跟踪效率高而直通时的功率损耗低，另一方面，ASIC芯片在专用的功率变换控制功能基础上，设置了模式控制电路和逻辑控制及驱动电路，实现将脉宽调制信号和接收的模式信号相结合来控制功率电路，使功率电路运行在功率变换模式和直通模式之间，使用时可向ASIC芯片发送相应的模式信号来实现模式的维持与切换，从而实现控制架构的简化及控制分辨率的提高。制分辨率的提高。制分辨率的提高。


技术研发人员：陈维 宋悦
受保护的技术使用者：江苏旭迈思电源科技有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/9