高效率太陽光電能模擬器之研製 Design and Development of a High Efficiency Photovoltaic Simulator

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2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年 9 月 5 日

高效率太陽光電能模擬器之研製

Design and Development of a High Efficiency Photovoltaic Simulator

張健軒卓建廷林昇璋林成

Chien-Hsuan Chang Chien-Ting Chao Sheng-Chang Lin Cheng Lin

義守大學電機工程學系

Department of Electrical Engineering, I-Shou University

摘要

太陽光電能為現今備受矚目之再生能源科技之一，由於其輸出特性受到日照強度及溫度影響，因此於相關太陽光電能應用產品之開發過程中，需要較長之工時來測試其產品對環境因數變動之穩定度。為了提供有效率之測試方式並考量節能觀

點，本文提出以LLC 諧振式直流轉換器研製太陽光電能模擬

器，此架構具有高效率、高電壓轉換比與電氣隔離等特點。本文以 F-MSN-75W-R-02 之太陽光電池為設計實例，說明其設計步驟及考量，並製作一太陽光電能模擬器以驗證其可行性。

關鍵字：太陽光電能模擬器、LLC 諧振式直流轉換器 Abstract

Photovoltaic (PV) power is one of the focuses in the technologies ofrenewable energy. While developing a PV system, because PV output characteristics are dependent on the insulation and temperature, longer labor hours are always required to qualify the system reliability and stability. In order to provide an efficient testing approach and reduce power dissipation, a PV simulator, which can provide the required electrical characteristic according to the atmospheric conditions, is necessary. Considering the features of high efficiency, high voltage transfer ratio and electrical isolation, a LLC resonant DC/DC converter is proposed to structure a PV simulator. Finally, a prototype is implemented to simulate the PV panel of F-MSN-75W-R-02. The computer simulation and experimental results will demonstrate the feasibility of the proposed design.

Keywords: Photovoltaic Simulator, LLC Resonant DC/DC Converter

一、前言

由於人們對於能源的需求與日俱增，並且受到全球暖化的威脅，使人們對於環境保護的要求更加嚴苛，因此引發了以再生能源為主的能源革命。在既有之再生能源科技之中，由於太陽光電能於太空應用技術，已有多年的研究與經驗，因此科學家們開始發展太陽光電能於民生用品之應用技術，期望以太陽光電能提供人們日常所需之用電。

人們對於太陽光電能之開發，主要有兩大方向，一為提升光電轉換效率之研究；另一項則為電能轉換技術應用之研究，而依其應用種類又可分成獨立型發電系統、併聯型發電系統與混合型發電系統。無論在哪一種系統當中，由於太陽能電池之輸出特性，隨著日照強度

與溫度等環境因數之變動而改變，使發電系統所搭配之最大功率點追蹤技術

[1]

成為整體系統穩定度的關鍵技術之一。故於太陽光電應用產品的開發過程中，往往需要針對不同照度或是環境溫度進行試驗以驗證系統可確實操作於最大功率追蹤點。然而，瞬息萬變的大氣特性卻導致太陽光電池無法即時提供測試者所需之輸出特性，使整體產品開發工時拉長。

為了解決此問題，文獻[2]提出以複金屬燈模擬日照光源，並透過溫控設備來控制太陽能光電池之環境參數，但整體環境控制設備造價高昂並非一般機構可以承擔，且多次的光、電能轉換過程，將導致不必要的能源消耗。因此，有學者提出太陽光電能模擬器，直接透過電能轉換技術來模擬太陽光電池的特性，用以加速太陽光電能轉換技術之開發與研究，依其應用技術可分類為：

(i) 使用可變電阻與電壓源串聯，控制該串聯電阻呈指數變化

[3]

；

(ii) 利用線性放大電路，將太陽能電池之電壓、電流特性放大

[4][5]

；

(iii) 直接利用定電流源與二極體並聯形成太陽光電池之等效電路模型；

(iv) 控制直流電力轉換器之輸出特性進行太陽光電池模擬

[6][7]

。

前三類技術之應用雖然容易達成，但是於模擬環境條件變動時，不易靈活控制，且可模擬功率大小受元件額定值所限制。而第四類之技術應用係使用直流轉換器進行模擬，可達成高功率太陽能電池之模擬應用，但文獻

[6][7]

中採用傳統PWM 直流轉換器，該功率開關動作時

為硬切換，將產生較大的切換損失，無法達到節能目的。且電壓調變範圍受到責務比限制，於大範圍電壓變動之應用上較為不便。此外，輸入端與輸出端並無電氣隔離之功能，無法符合安規需求。

因此，本文提出以 LLC 諧振式直流轉換器作為太陽光電能模擬器之電路架構，此架構具有全域負載變動皆可達成零電壓切換(ZVS)之特性，且於高壓輸入下，

具有較高之效率，有益於使用功率因數校正裝置之輸出電壓。而電路中之變壓器具有電氣隔離之效果，且LLC 諧振式直流轉換器之諧振槽具有昇壓及降壓之能力

[8][9]，因此有較寬廣之電壓調變範圍。

本文將以茂迪股份有限公司所生產之 F-MSN-75W -R-02 太陽能電池模組作為太陽光電能模擬器之設計實例，並針對相關設計步驟與考量進行介紹。

2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會台灣台南 2008 年9 月5 日

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二、太陽能電池特性

太陽能電池係由 p-n 接面半導體所構成，其等效電路模型如圖1 所示[10][11]。Rs與 Rsh分別為製程因素所 產生之等效串聯電阻與等效並聯電阻；I_ph為太陽光照射至太陽能電池時，由光能轉換而成之光電流，其關係式如下

Iph

=

[ISSO

+

Ki(T

−

Tr)]Si/100 (1) 其中，I_SSO為太陽能電池於參考溫度以及日照強度下之 短路電流，Ki為短路電流溫度係數，T 與 Tr分別為太陽光電池的溫度(^oK)以及參考溫度(^oK)，Si則代表太陽能電池之日照強度(mW/cm²)，Rj為半導體之非線性阻抗，Dj

代表p-n 接面所形成之二極體，其反向飽和電流 Isat可表示如下

1 )]

( 1 exp[

]

[

³

T T kA qE Tr

I T I

r G rr

sat

= −

(2)

Irr為太陽光電池於參考溫度(Tr)之反向飽和電流，EG表示半導體材料跨越能帶間隙時所需之能量( 矽之 EG≒1.1eV)，q 為單位電荷電量(1.6×10^-19庫侖)，k 為波 茲曼常數(1.38×10-23 J/^oK)，A 為太陽光電池的理想因數 (A=1~5)，係用以決定其與理想 p-n 接面半導體的差異。

若假設太陽能電池之並聯數量為 np，串聯數量為 ns，則其輸出電氣特性可表以下式

圖1 太陽能電池等效電路模型

三、LLC 諧振式直流轉換器

LLC 諧振式直流轉換器之電路架構，如圖 2 所示，

係由 LLC 諧振換流器與電流驅動之變壓器中間抽頭整流器所組成，與串聯諧振轉換器(SRC)相似，但 SRC 之激磁電感(Lm)遠大於諧振電感(Lr)，而 LLC 諧振式直流轉換器之激磁電感(Lm)與諧振電感(Lr)較為相近，因此其諧振槽特性與SRC 不同。由圖中，可以求得電壓調整率與切換頻率之關係如下式

) 8 1 8 (

1 ( + +

²

+

²

−

=

≡ π π

η η

L Co L

F o F

tr I in

o V

R r R

R V V V

M V



 





 

 −

+ +

 

  − +

⋅

0 2 0

2 2 0 2

2

)

( 1 )

( 1 ) 1 ( 2

1 ω ω ω

ω ω

ω

A Q A

A

n

L (4)

其中，ηI、ηtr分別為LLC 諧振式換流器效率以及變壓器 轉換效率，A 為諧振電感與激磁電感之比值(Lr /Lm)，ω0

為共振角頻率，ω 則為轉換器之切換角頻率，而 VF、R_F 以及 rCo 分別為整流二極體之順向導通壓降、順向導通阻抗以及輸出濾波電容 Co之等效串聯阻抗(ESR)。於此，品質因數(QL)定義為:

i r i

m r

L R CR

L Q L

0

0( ) 1

ω ω

+ =

≡

(5)

此外，R_i為二次側等效至一次側之輸入阻抗，如下式所示

2

8

2

π

L i

R

R = n

(6)

圖2 LLC 諧振式直流轉換器

圖3 為 LLC 諧振換流器之頻率響應，可以看出其 有兩個共振頻率，其中，fro為主共振頻率，係由諧振電 感 L_r與諧振電容 C_r所決定；而 f_r1為次共振頻率，係由 諧振電感 L_r、激磁電感 L_m與諧振電容 C_r所決定，其關係可分別表示如下。

r r

r L C

f

= ⋅

π 2

1

0 (7)

r m r

r

L L C

f = + ⋅

) ( 2

1

π

(8)

由圖3 的兩個共振頻率以及曲線斜率，可將之分為三種不同特性之操作區。於Region 3 之曲線為正斜率，

此時開關切換頻率低於共振頻率，諧振槽之輸入阻抗呈電容性，此時開關有零電流切換(ZCS)的效果，但於開關導通時會有很大的突波電流，造成開關電流應力增加

]

1 )

[exp( + −

−

=

s s o sat

p ph p

o

n

IoR V kTA I q

n I n I

sh s o o

I R I V

+

−

(3)

以及較多損失與雜訊，因此不建議將電路操作於此區。

而於Region 1 以及 Region 2 之曲線為負斜率，此時開關切換頻率高於共振頻率，諧振槽之輸入阻抗呈電感性，此時開關具有零電壓切換(ZVS)的效果，可以有效降低開關之切換損失。當電路操作於Region 1 時，由於電壓增益(nVRi/Vin)小於 1，可視為降壓模式，其電路動作特性與SRC 相似。而 Region 2 則為昇壓模式，此特性區同時擁有 SRC 與並聯諧振式轉換器(PRC)的特 性，開關切換頻率越接近 fr0則 SRC 之特性越明顯。反 之，當開關切換頻率越接近 f_r1則 PRC 之特性越明顯

[12][13]

。

nVRi/ Vin

圖3 LLC 諧振式直流轉換器之頻率響應

一般而言，LLC 諧振式直流轉換器操作於 Region 1 及Region 2 時，於全域負載變動情況下，皆能保有零電壓切換(ZVS)的能力。理論上，當電路之切換頻率越接近該負載條件下之共振頻率時，將有較佳之效率，但於實務考量下，一般係將電路之工作頻率設計略高於共振頻率，以確保開關皆能達成ZVS 之效果。

四、規格與設計考量

本文以茂迪股份有限公司所生產之 F-MSN-75W -R-02 太陽能電池模組作為設計實例，其電氣規格如表 1，而此太陽能電池模組於 25^oC 以及 100mW/cm²之特性曲線如圖4 所示。

表1 F-MSN-75W-R-02 電氣規格

F -MSN-75W-R-02 規格

最大功率 76.299W 最大功率點電壓 17.294V 最大功率點電流 4.4118A 開路電壓 21.3876V 短路電流 4.9576A

圖4 F-MSN-75W-R-02 之輸出電氣特性曲線

太陽光電能發電系統於穩態工作時，最大功率點追蹤裝置將使太陽能電池操作於最大功率點附近，因此於太陽光電模擬器之設計時，應將最大功率點作為LLC 諧振式直流轉換器之最佳效率考量。本文以 25^oC 為太陽能電池之平均操作溫度，並以80mW/cm²作為太陽光電能模擬器動作時之最高照度，由式(3) 可以求得 F-MSN-75W-R-02 之太陽能電池模組於此環境條件下，

最大功率點電壓為18V，最大功率點電流為 3.287A，輸出功率約為59.16W。考量模擬器前端為功率因素校正裝置，因此設定LLC 諧振式直流轉換器之輸入直流匯流排電壓(Vin)為 400 V。

綜合上述效率考量，進行LLC 諧振直流轉換器設計。由文獻

[14][15]

得知，感值比(A)設定於 0.143~0.2 之間，有益於較大範圍之頻率調變控制。當感值比越小，

轉換器若要得到較低之電壓增益，則需使切換頻率提高。因此，為避免系統於低壓輸出時，操作於過高之切換頻率，本文設定感值比A=0.2，而 LLC 諧振式直流轉換器之開關電壓與電流的相位φ 關係，如下式所示[16]:

1 ) ( { tan

0 1 1

1 0

r r r

r

L

A

Q A

ω ω ω

ϕ ω −

=

⁻

+

]}

) ( 1 [ ) 1 )(

1 (

2

0 2 1

0 1

r r r

r L

Q A ω

ω ω

ω + −

+

(9)

為確保於系統全域輸出時皆可達到ZVS 之效果，設定最大功率點輸出時之相位為 15^o，可求得最大功率點輸出 情況下之品質因數 QL=1.83，而 LLC 諧振直流轉換器之元件參數如表2 所示。

表2 元件設計及相關參數

元件及相關參數規格 諧振電感 C_r 15nF 諧振電感 Lr 928nH 激磁電感 Lm 186nH 變壓器圈數比 n:1:1 11:1:1 主共振頻率 fr0 100 kHz 次共振頻率 fr1 40 kHz

(4)

此外，功率開關選擇為IRF840，其耐壓為 500V，

導通阻抗 R_ds(on)為 0.75Ω，耐流為 8A；整流二極體為 S30SC4M，耐壓為 40V，總耐流為 30A，順向導通壓降為0.55V。

圖5(a)所示為 F-MSN-75W-R-02 於溫度 25^oC 下，

以及照度為 80mW/cm²時之輸出電氣特性。圖中可發現，當太陽能光電池之輸出電壓略低於最大功率點電壓時，其輸出電流變化甚小，此時若僅使用穩壓控制將不易達到其輸出之準確性。因此，本文於控制模式將分為兩區域。當輸出電壓略低於最大功率點電壓時，系統則偵測其輸出電壓，且計算其對應之理論輸出電流，是為穩流控制；反之，系統將偵測輸出電流，且計算其對應之理論輸出電壓，然後調整輸出電壓達理論值，可視為穩壓控制。

圖五(a)中，A 點、E 點以及 H 點之位置，分別為短路電流、最大功率點以及開路電壓，其所對應之功率分別為a 點、e 點以及 h 點。此外，當太陽光電能模擬氣於模擬圖中各標示點之特性時，各標示點所對應之工作頻率如圖五(b)所示，皆操作於 Region1 以及 Region2。

(a)

A B

C D

E F H G

f (kHz) V

o

F-MSN-75W-R-02 at 25

^o

C and 80mW/cm

²

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 5 10 15 20 25

(V)

(b)

圖5 25^oC 以及 80mW/cm² (a) PV 之各操作點 (b) LLC 之各操作點

五、實驗波形與統計

圖6~圖 8 分別為太陽光電能模擬器於模擬開路電壓(H 點)、最大功率點(E 點)以及短路電流(A 點)之情況下，開關電壓與電流之波形，由圖中可以看出本文所提出之電路於A 點至 H 點之運作，皆可達成零電壓切換之效果。圖7 中，可明顯看出開關電流於開關截止前，下降至很小的值，使開關切換損失降低。

圖9 為實驗量測之 A′點到 H′點操作位置，以及整體電路之相對轉換效率。可觀察出實際量測之模擬器操作位置，與原本所標示之參考點十分相似。圖中之最高效率點位於E′點(最大功率點)可達 93%，並觀察其高效率情況大多發生於D′點到 G′點之間，而大多數最大功率追蹤裝置之穩態工作範圍即於此區，因此利用LLC 諧振式直流轉換器於太陽光電能模擬器之製作可以達到高效率之需求。

(200V/div, 1A/div, 5μs/div)

圖6 模擬開路電壓(H 點)時之開關電壓與電流之波形

圖7 模擬最大功率點(E 點)時之開關電壓與電流之波形

圖8 模擬短路電流(A 點)時之開關電壓與電流之波形

(5)

A' B'

C

'

D' E

'

F

'

G

'

H

'

B'

C'

D' ^E' _F'

G'

輸出電壓(V)

輸出電流(A) 輸出效率η(%)

F-MSN-75W-R-02 at 25

^o

C and 80mW/cm

²

圖9 各操作點之實際工作位置與效率圖

六、成果與結論

本文提出使用LLC 諧振式直流轉換器作為高效率太陽光電能模擬器之電路架構，並以茂迪股份有限公司所生產之F-MSN-75W-R-02 太陽能電池模組作為太陽光電能模擬器之設計實例，詳述其相關設計考量。並以 25^oC 以及 80mW/cm²為環境條件，實驗驗證各參考點之動作可行性，且經由實驗驗證，其輸出電氣特性與所模擬之太陽光電池之輸出特性相似。此外，於模擬太陽光電池之所有輸出特性時，皆保有開關零電壓切換之效果。其中，較高效率之操作區，與常見之最大功率追蹤裝置之動作範圍相符，經量測此太陽能光電能模擬器之轉換效率最高可達 93%。因此，運用 LLC 諧振式直流轉換器於太陽光電能模擬器之製作，將有助益於節約能源，並且加速太陽光電能應用系統之開發。

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