【毕业学位论文】太阳能半导体照明系统中高效LED 驱动器的设计与仿真

分类号 学校代码 1 0495 学 号 1015123007 武汉纺织大学 硕士学位论文 太阳能半导体照明系统中高效 动器的设计与仿真 作者姓名： 石 烺峰 指导教师： 薛勇 学科门类： 工学 专 业： 物理电子学 研究方向：太阳能光伏发电应用技术 完成日期： 二零一二年三月 . M. he ED in y 012 论文题目：太阳能半导体照明系统中高效 动器的设计与仿真 专业：物理电子学 硕士生： 指导老师： 摘要： 在能源和环境问题备受关注的今天，太阳能半导体照明系统的研究和应用有着重要的意义。太阳能半导体照明系统属于光伏发电离网应用，由太阳能电池组件、储能装置、明负载、电力电子接口等组成，电力电子接口包括太阳能电池组件与储能装置的接口和储能装置与 载间的接口。本文以蓄电池与 载间的电力电子接口作为研究对象。 蓄电池与 载间的电力电子接口，即 动电路，其主要功能是控制 文设计了基于 流变换电路的 动器的主电路，以及基于基于状态变量开关周期平均方法建立了 析了 动器的工作原理，设计了以开关电流峰值为控制变量、以 控制平台的模拟控制策略，基于 现了 动电路的仿真，满足了作电流恒定的要求。 动电路的功率损耗主要由开关器件的静态损耗和动态损耗、电感磁滞损耗、电流取样电阻的损耗等组成。为提高 动电路的工作效率，本文提出了一种开关电流检测方法，即不使用与 关串联的电流取样电阻；而通过快恢复二极管， 使用 设计了基于 验证实能够提高 动电路的工作效率 3。 关键词： 电子电力接口；恒流驱动器；功率开关管导通电阻；开关电流检测 研究类型： 应用研究 ED in In of V ED ED ED to as a is to ED is C ED of WM of on ED of ED of to of ED of of ED by of of so To of ED up a in is in to on of ED %. 目录 录 1 绪论 .究的背景. .究的意义. .究的目标与方法. . 研究目标. . 研究方法. .文的研究内容及结构. 国内外文献综述 .伏发电技术的国内外发展状况.明技术的国内外发展状况 .阳能半导体照明系统中 动器技术的国内外发展状况. 太阳能半导体照明系统原理分析 .阳能半导体照明系统结构分析.阳能电池板的原理分析. 9 阳能半导体照明系统中 结构与驱动特性分析.阳能半导体照明系统中蓄电池的原理分析. 蓄电池充电过程中工作原理.电过程中工作原理. 阳能半导体照明系统中控制器的原理分析.阳能半导体照明系统中 流驱动器的原理分析. 基于场效应管导通电阻电流检测方法的恒流驱动器的设计 .于场效应管导通电阻电流检测方法的恒流驱动器主电路设计. 主电路的设计. . 基于场效应管导通电阻电流检测方法的开关电流检测设计. 基于场效应管导通电阻电流检测方法的采样电路. 基于场效应管导通电阻电流检测方法的软件的实现.于场效应管导通电阻电流检测方法恒流驱动器的控制器设计. 基于场效应管导通电阻电流检测方法的控制器电路设计. 控制器中芯片引脚及内部功能模块.于场效应管导通电阻电流检测方法的恒流驱动器的控制策略. 电流控制模式. . 制模式 .录 于场效应管导通电阻电流检测方法的恒流驱动驱动器的数学建模.于场效应管导通电阻电流检测方法的恒流驱动驱动器工作原理. 基于场效应管导通电阻电流的恒流驱动器的仿真与实验验证 .于场效应管导通电阻电流的恒流驱动器的仿真.于场效应管导通电阻电流的恒流驱动器的实验验证. 结 论 . 谢 .考文献 . 录 .1 绪论 11 绪论 究的背景 在 21 世纪的今天随着科技和经济的飞速发展，我们对能源的使用不断的创造历史新高。根据官方的不完全统计数字显示。地球上的石油、煤炭等不可再生能源将在近几十年里面临枯竭。而在使用能源方面，我们依然是以石油、煤炭等不可再生能源为主要能源。那么我们就会面临两大主要的问题，一个是环境问题，另一个是能源问题。这就要求我们开发和使用节约环保能源。据相关组织的调查报告上说地球上的天然气将在六十年左右内枯竭1。而石油业会在本世纪中叶将会用完，那么能源紧缺问题已是迫切要求了。 首先，我们知道通常煤炭和石油的开采利用，会对环境造成严重的破坏和污染。我国去年的黄海污染事件对国内产生了很严重的生态后果。由于我国在改革开放的大前提下，环境问题没有足够的重视，造成了我国目前大气、水污染非常严重，很多地区都面临生态危机。最近几年，我们的各种生态问题日益明显，比如武汉 2012 年 3 月份的时候发生的长江水污染，导致武汉市民饮用水困难。 究的意义 因为太阳能作为一种新型的无污染的可再生能源，一直都是被国际社会所公认的最佳替代能源。我们常说的风能、生物质能、水能、海洋能等都与太阳能息息相关。太阳能的优点如下：资源丰富，因为我们所认知的太阳在从诞生到现在，只消耗了它本身能源 2%，那么我们可以变相的认为，太阳能是取之不竭，用之不完；太阳能的建设简单方便灵活；太阳几乎可以照耀到地球每一个角落，从而让我们对一些偏远山区、电力不发达的地区、海岛等独特的地理环境下更有利用的价值；太阳能是节能环保型能源。因为在开发利用过程中，不会对生态平衡不造成影响。总而言之，太阳能是节约环保的清洁能源2。 我们知道二极管的技术不断的成熟， 明在市场上的份额也越来越大，它也备受各国政府的重视。我们国家，已经明确表示在未来的几年内全面使用节能灯来代替现有的照明系统。下面我简单的介绍一下 基本特性首先在发光效率方面 1500m/相比我们现在传统中的白炽灯的发光效率却只有 10光灯也只是达到 1000m/w 左右。其次，它是低压直流驱动，一般都是在 5间。所以它相 1 绪论 2对是安全的电压。最重要的是它的使用寿命方面，一般的 都能达到 10 万小时左右，传统的灯具最多的使用到 1 万小时左右。最后，也是各个国家近代最关心的问题对环境无污染。 伴随国家“节能增效”的号召，光伏发电照明得到了越来越多的企业和科研院所的关注。对于太阳能光伏发电技术能与 压低且互相匹配。因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。随着相关技术的深入研究， 高亮度的 必会取代普通照明光源，并大量节约能源且无污染。由于 工作电压很低。太阳能电池将光能转化为直流电能，且太阳能电池组件可以通过串并联方式组合得到实际需要的电压。这些特点恰好与 者结合将获得很高的能源利用率、较高的安全性能合可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明系统，实现十分完美的结合3。 对于 们知道它并不像普通的照明灯具，必须要有驱动器才能点亮，要使亮度稳定，必须让它工作在恒流的状态下。所以，对研究太阳能半导体照明系统的中 究的目标与方法 究目标 对太阳能半导体照明系统中的 动器进行研究。在对典型太阳能半导体照明系统中 驱动器进行了结构分析。发现太阳能半导体照明系统中的 动器中的功率损耗主要由开关器件的静态损耗和动态损耗、电感磁滞损耗、电流取样电阻的损耗等组成。如何在开关电流检测的时候提高 动器的工作效率。 究方法 通过对太阳能半导体照明系统中 动器的相关理论的基础研究，分析太阳能半导体照明系统中 动器的功率损耗。在选用那种控制方法和优化能够使得驱动器的工作效率。本文中选用针对降低开关电流检测电路中的电阻功耗。提出一种是以通过快速恢复二极管用使 身的导通电阻来检测开关电流， 代替原来使用关串联的电流取样电阻。 设计了基于 通电阻检测开关电流的模拟电路，试验证实能够提高 动器的工作效率 3。 1 绪论 文的研究内容及结构 太阳能半导体照明系统的研究是一个庞大而又复杂的课题，本文仅从事太阳能半导体照明系统中 流驱动器的研究。 太阳能半导体照明系统中 流驱动器设计关键点主要有两个：一是对太阳能半导体照明系统中 动器分析。二是对太阳能半导体照明系统中控制器的分析； 本文的详细内容可分为以下几个章节： 第一章：阐明了本课题背景和意义，提出了本课题的主要研究目的与方法。 第二章：主要对太阳能半导体照明系统的国内外的发展状况和科研成果的实际应用进行研究。 第三章：详细的分析太阳能半导体照明系统的结构。太阳能半导体照明系统是由电池板阵列、蓄电池、太阳能控制器、 流驱动器、 载构成。然后分别它们进行理论分析和研究。 第四章：通过分析后，为了提高效率，研究 流驱动器中的开关电流检测中与功率开关管相连的 以本文基于此方法引入以二极管场效应管导通电流的恒流驱动器和控制器的设计。在对过程进行数学建模和控制策略分析。 第五章： 分析前面的一章的主电路设计和控制策略， 我们根据节点来利用 行计算并仿真；最后进行试验结果验证。 第六章：对本文的研究内容作总结。 2 国内外文件综述 42 国内外文献综述 伏发电技术的国内外发展状况 太阳能光伏发电技术的开发和研究虽然是近段时间的火热起来，但是它的发现可以追溯到 19世纪上半叶， 1839年法国物理学家贝克勒在一次偶然中发现了一些物体在吸收了光子之后产生了电动势的现象即“光生伏打( 现象4。随后，到了1880年 后，对能够产生光生伏打效应的器件人们都把它们通称之为“光伏器件” 。 光伏电池的初期由于材料和技术的限制使得它的能量转换效率低，生产成本高。所以各国的科学家都对光伏电池的效率提升产生了浓厚的兴趣。到 20世纪的中期，美国贝尔实验室的研究人员发现经过杂质处理的硅，可以产生稳定的电压，从而研制出了光电转换效率为 6%的实用单晶硅光伏电池。经过长期的 改进后，这类光伏电池的转换效率达到了 10%左右。更值得一提的是美国在 1958年所发射的“先锋 1号”人造卫星上使用了这一技术，这是光伏技术一次大胆的尝试提供了舞台。随后又太空技术的迅速发展，光伏发电技术也得到迅速的发展，虽然只是应用宇宙空间。我们的大多数航天器的运行动力还是靠光伏发电来提供，所以说光伏发电为航天事业的发展做出了很大的贡献。 光伏电池发展相对比较缓慢， 因为在制造工艺、 材料和结构上虽然得到长足的发展，但是提出方面还是比较复杂。导致了电池成本的居高不下的原因。随着 20世纪的末期能源和环境问题出现危机，是人们对这种节能环保技术得到又一个新的至高点，因为它将成为 21世纪能源的只要组成部分。自从 1997年的时候很多发达国家都开始实行“百万太阳能屋顶计划”之后。使用率的迅猛提高，使得太阳能光伏技术也的到迅速的发展。 太阳能电池板的行业内中美国在产量方面一直是老大的地位，直到 1999年被日本赶超。除此之外德国、西班牙、意大利等国家也在大力使用和安装太阳能。德国于 1990年的时候率提出 “一千个太阳能屋顶计划” ， 在居民楼和办公楼的屋顶上安装机容量为 5了进一步的提高太阳能的利用率，又推出了“十万屋顶计划”等一系列措施。所以，这些措施使得太阳能并网发电的装机量一直都是世界领先位置。 我们国家直到 1958 年才开始研究相关技术，在首次成功在“东方红”卫星上使用光伏发电系统。之后我们国家光伏发电市场迅速发展。 2 国内外文件综述 5在改革开放的前提下，引进西方国家的相关技术，使得我国光伏技术在 21 世纪全速发展，太阳能电池产量在最近的几年翻番增长。现在已经超过龙头老大德国稳居第一的位置，占世界的总份额已经超过的 40%。国家在二极管材料研究方面积极投入,通过各种技术难关和创新的基础下使得高纯度多晶材料在我国产业规模迅速扩大。因为我们国家是在外界诸多不利的条件下，比方说西方国家对我们的相关技术封锁。通过多年的探索和研究， 目前在我国太阳能光伏发电技术已形成一整套系统流程。 比如多晶硅铸锭、硅片切割、电池制造、组件封装等技术都有恒成熟。为了提高光伏发电在市场的能够有所突破我们就要在电池的生产技术和电池的转换技术上要求不但提高，以增强竞争力。 明技术的国内外发展状况 我们都知道半导体是 发光情况， 但是这种现象我们可追溯到 19 世纪法国的著名科学 究 波器时候发现在这种材料上面形成了一种电压。就是我们俗称的“光生伏大” 。虽然后见面也研制出了一种光伏 电池，但是由于，那时候的材料和技术的落后和不成熟。而且那时候的化石能简单方便，致使光伏发电技术一直都没有被利用。直至 20 世纪 60 年代初科技技术的突飞猛进和电力系统的逐渐成为主流的时候，科学界才成功的研制了一种利用 材料发光二级管，那时候还只能发射红光，先不谈使用价值这都已经具有革命意义了。随后美国的 司利用这种特性把各种电子仪器的显示盘的指示灯。出于多种原因，在那时候的技术和环境下 件的发光效率还不是很高，只能用作一些电子产品和室内显示灯5。但是进入了 21 世纪之后由于相关材料和结构技术的提高使得 发光效率得到了很大的提高，他的亮的已经能够达到传统灯具的亮度。 下面我们介绍 明领域，在 明技术方面日本在使用荧光粉封装 湾和韩国在半导体封装和生产研究方面也相当的成熟。因为对外实行封锁政策，目前市场上有 70%左右的 片制作都来自这一地区。 由于欧洲他们率先达到小资水平，所以他们对环保和节能方面的意识都比较强，所以在制定相关法律和技术标准都很早就开始实施。不经如此，政府还拿出对使用和生产应用领域的补贴。因此，在 21 世纪的节能环保的今天，欧洲市场上使用 普及方面是最好也是最积极的 。目前上欧洲主要国家的超 市上面都开始大批量的销售及射灯等相关产品。 2010 年的法兰克福照明展上面欧洲的两大 明生产厂商飞利浦和欧司朗已经开始大规模的展示在不同情况下使用的 具系列并且开始了市场渠道的建立和推广了。自从 2003 年以来我们国家开始实行使用节能灯照明替代白炽灯，并且实施半导体照明计划以来。我国的 关产业进入飞速发展，在使用和封装中下游技术领域得到了提高。并且已经使我国成为了世界 产基地。 2 国内外文件综述 6我国现在的市场除了国内的生产厂家外，日本、韩国和台湾地区的众多投资者纷纷踏来。由于中国是中下游 装技术和实用技术的世界生产基地，由于市场和政府相关部门的双重作用下，提高了我国 的生产技术和产业国际竞争力，使得我们国家的 具市场相当激烈。 在我们国家的“十二五”规划中对能源一方面制定一系类的优惠政策。变相的刺激的 导体照明产业良性竞争和发展。 导体照明系统作为低耗、无污染的产品成为国家节能减排目标中的战略新兴产业而倍受重视。作为国家发展新兴照明 阳能半导体照明系统中 动器技术的国内以外发展状况 从 可以分为 1020于照明和液晶显示背光源等。 于便携式设备，如手电筒、汽车刹车灯、手机、随身听等。 容降压、 荷泵）和电感型（ 类。工频变压器降压和电容降压方案都需要较大体积，同时需要限流电阻实现恒流的功能，恒流效果较差，现在使用较少3。电荷泵电路5。外部电容通过开关管阵列、比较器 、逻辑电路、振荡器等电路实现电压变换，电荷泵电路可以组成降压式或升压式结构。 目前， 采用电荷泵电路的 动芯片有数十种。 如 ， 司的 列6，国家半导体公司的 列。电感式路。电感式 动器主要是 压电路和 压电路两大类。这里的拓扑结构和传统的恒压控制是一样的，只是采样信号由输出电压变为输出电流。电感式 动器的输出电容和电感大小与开关频率成反比，为了减小电源的体积，可以提高电源的工作频率。但是，开关管的损耗会随着工作频率的增加而增加，折中考虑开关管的损耗和电源的体积，是设计的关键7。 目前，采用 压电路的 动芯片有数十种。如安森美公司 列9， 列8，理光公司的 采用 压电路的动芯片也有数十种，如 司的 。特别说明 司的 列和 司的 列可以实现220入的 压恒流驱动开关电源。开关电源电路。含有变压器的开关电源是现在开关电源的主流。 流驱动开关电源和传统的恒压开关电构基本一样，只是采样信号由输出电压变成输出电流。开关电源经过二十多发展，技术成熟，设计灵活。有十几种驱动器拓扑结构可以选择， 有相关技同步整流， 功率因数校正技术等可以使用。 2 国内外文件综述 7特别是单片开关电源因为集成了管，电路结构简单，稳定性好，可靠性高，是设计 前，集成开关管的电源控制芯片有上百种，如 司的列，系列9， 司的 列，安森美公司的 列。目前，开关管外置的电源控制芯片则有上千种，典型的如 。直接支持恒流反馈控制的开关电源（使用变压器隔离）控制芯片只有 司的 列，它可以实现含有变压器隔离的恒流驱动。 3 太阳能半导体照明系统工作原理分析 83 太阳能半导体照明系统分析 阳能半导体照明系统结构分析 太阳能半导体照明系统10是由太阳能电池板阵列、太阳能控制器、蓄电池组、统框图如图 如图 阳能半导体照明系统框图 （1）太阳能电池板 太阳能电池板主要划分为晶体硅电池（包括单晶硅、多晶硅、带状硅） 、非晶体电池、非硅电池。 表 阳能电池的类型及特性 类型 单晶硅 多晶硅 非晶硅 转换效率 12%17% 10%15% 6% 8% 使用寿命 1520 年 1520 年 510 年 平均价格 高 较高 较低 稳定性 好 好 差（会衰减） 颜色 黑色 深蓝色 棕色 只要优点 转换效率高，工作稳定，体积小 工作稳定、成本低，应用广泛 价格低，弱光性好 只要缺点 成本高 装换效率较低 转换效率最低，会衰减 （2）蓄电池 蓄电池是太阳能半导体照明系统中的储能装置11， 由它将太阳能电池组件从太阳辐射能转换来的直流电能转换为化学能储存起来，以供负载应用。由于太阳能电池输出的3 太阳能半导体照明系统工作原理分析 9能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能工作。 （3）太阳能控制器 控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠性工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命12。控制器对蓄电池的充、放电进行控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载输出电能。控制器应使太阳能半导体照明系统中的太阳能电池组件始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术（ 制方式） ，放电控制主要指当蓄电池缺电、系统故障时切断开关。 （4） 流驱动器 驱动器的作用使 全驱动13。因为我们知道 低压直流。以必须要有一个驱动器来把高压点电的输入电流转换为 用的低压直流电流。而且还要选用合适驱动器。由此可以看出， 驱动器设计至关重要。 （5） 源 有光线质量高、基本上无辐射、可靠耐用、维护费用极为低廉的优势，属于典型的绿色照明光源。高亮度 制成功大大降低了太阳能半导体照明系统的使用成本14。在 连接方式上面也有讲究，如果选用合适的连接方式也能提高使用效率。 阳能电池板的原理分析 太阳能电池板中的光伏电池就是一个能量转移的过程，以太阳光的光电效应工作。它的工作原理利用利用太阳光照射在半导体 上的时候太阳能电池就吸收光能，空穴中由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区。从而产生光生电子空穴对。然后我们知道太阳的入射角度也会不同的变化着也就导致了电池板的能源指数也随着变化，这样也就在电池板上形成在各处产生光生载流子的扩散运动，电子和空穴对被分离之后就对太阳能电池两端出现异号电荷的积累，从而产生的电压也就是“光生电压”这就是光生伏特效应15。 我们对太阳能电池板在这个过程中是怎么样进行能量转换的。这个过程主要可以分为为以下几个步骤：太阳能电池吸收一定能量的光子后，在半导体中形成电子空穴对，而两者的电极性相反，空穴带正电荷，电子带负电荷；电子电子和空穴对分别被太阳能电池的正、负极所收集，这样在外界电路就产生了电流，从而进一步的获得了电能。 （1）太阳能光伏电池的等效电路 等效电路图如下图 知，电路的外接负载。当0 时候，那么测得的电3 太阳能半导体照明系统工作原理分析 10流是太阳能电池的短路电流 图 阳能光伏电池的等效电路 我们用内阻很小的电流表直接连接到天阳能电池板上面。我们通过观察可知道电池板的面积对是有影响的，面积越大值也跟着变大，相反面积小值也跟着变小。假如当向于无穷大的时候，那么所测得是电池板的开路电压因为二极管电流为通过反的。由上图可知串联电阻，旁路电阻16。 根据等效图和定义可以得： () 公式（30() 1 += = 公式（3 公式（31)+ 公式（3其中太阳能光伏电池内部等效的 反向饱和电流。 在设计理想的太阳能电池的时候一般认为小 ，大 。 所以认为在计算的时候这些电阻都可以忽略掉。那么有，我们可以知道流过的负载的电流应该为I= （2）太阳能半导体照明系统的电池板功率特性 如下图 示是太阳能照明系统中电池电流电压相关曲线图。 其中： I 是电流，最大工作时电流， U 为 电压，是 开路电压，大工作电压，大功率点。图 示为太阳能照明系统电池功率与电压曲线图。 3 太阳能半导体照明系统工作原理分析 11图 阳能半导体照明系统中电池的电流电压曲线 图 阳能半导体照明系统中电池 线 由图 曲线我们可以看出通过电池的电流电压特定的太阳光照强度下的关系。太阳能光伏电池电路短路时的电流为短路电流这个时候电池板两端的电压为零；如果电路开路时的电压为开路电压这个时候电池板没有电流。综上所述太阳能电池板输出功率即为： 。 我们通过在上升太阳能电池板上的电压时候，不断调整负载电阻的阻值，前半部分光伏电池的输出功率会随着电阻的增加而增加，与该电阻成正比。但是当电阻值增加到一个定值的时候，电池板的电压不仅没有增加反而下降并且逐渐降到零值点。这个过程光伏电池的输出功率会一个最大值点，我们通常称此时候的电压值为最大功率电压电流为最大工作电流而此时的功率为最大功率点从上图 可以看出当电池板的温度随着日照温度到达一定温度的时候，最大输出功率电压对应的是最大输出功率点。而电路的电压值比这个最大功率电压的时候，光伏电池的输出电压随着电池板的两端电压升高而升高。但是，两端的工作电压超过这个最大功率点电压时候，光伏电池输出功率随着电池板的两端电压升高而降低。另外，当光照强度和环境的温度 m 太阳能半导体照明系统工作原理分析 12发生了改变的时候，我们系统的电路中的最大功率点的电压会发生改变，因此我们一般利用这个方法来跟踪系统能够实现最大功率点来使其达到最佳状态。这种方法叫最大功率追踪法17。 （3）最大功率点跟踪的介绍 最大功率是根据太阳能半导体照明系统的最大功率点电压会随着电池板的温度和太阳的辐射强度相关的。由于系统是工作在环境温度和光照强度温度不断情况，为了让其实现一个自动寻找不同时刻的最大功率点的过程。 最大功率点的算法（ 前有以下几种：电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法、间歇扫描法、神经网络控制法以及模糊控制法，通过对大量相关文献的观察和参照会发现常用的有两种方法一 种是电压跟踪法，另外一种 方法扰动观察法和增量电导法。下面就常用的两种最大功率点的算法进行介绍。 首先，是电压跟踪法（ ：这种方法是最早开始使用的，因为是周围环境的比变化不是很敏感，它只考虑到日照强度的变化。所以控制精度不高。因为我们知道光伏阵列的输出功率主要受电池温度和日照强度的变化而变化，日照强度的变化影响明显大于温度变化对输出功率的影响。通过大量资料表明，在日照度很高的情况下太阳能电池的最大功率点所对应的输出电压化不是很大了； 在这个时候同一辐照度下的开路电压比值只与光伏组件的相关参数有关了，相反对环境温度的变化不敏感，那么这个时候我们可以认为是一个定值。这就是电压跟踪法。电压跟踪法简单的就是把 制简化为稳压控制。这种方法的优点是：有相对可靠的稳定性能，不会出现很明显剧烈的振荡现象。而且控制方法非常的简单，很容易实现。但是缺点是：控制精度相对较差，对周围温度不是很敏感，不适用与温度变化大的地区。 第二种方法， 扰动观察法： 是在太阳能半导体照明系统工作稳定之后通过调节 使其对电路变化， 我们可以在制作工艺方面来改变电池阵列的工作状态，从而实现了观察和计算太阳能输出功率。在比较了改变之前的功率之后来调整和控制太阳能输出功率的下一步扰动方向。当与前面一个工作点的输出功率比较后功率是增加的话，那么就下一个周期内依然是沿着同一个方向扰动；相反，则扰动沿相反的方向进行。当系统稳定下来之后也是太阳能输出最大功率点。这种算法也相对简单，不难实现。缺点是:由于是循环工作的会出 现非常明显的振荡现象，将 导致一些功率损失；这个方法的精度是根据初始值步长和速度来决定的；最后是当程序运行的过程是有时候会发生失序和误判的结果。 阳能半导体照明系统中 结构与驱动特性分析 （ 1） 构分析 3 太阳能半导体照明系统工作原理分析 13首先我们知道发光二极管（ 由半导体材料做并且使一种固态冷光源18，它能够将电能转化为我们人眼所能看到的可见光源。到目前为止，我们的发光二极管主要是由以下几种半导体材料所做成的 化镓） 、 化镓） 、 砷化镓） 。我们进行分析可知道这些半导体材料都有 。首先我们知道半导体正向导通和方向截止，当电压超过一定的电压值时二极管就会击穿。这是我们所共知的。假如我们给二极管做特出处理后还会发光。那么它将电能转化成光能过程是在 加上正向导通电压。那么二极管中 n 区的电子流入 p 区，而空穴将会从 p 区跑到 n 区。而此过程中的载流子则不是相同的，当 n 区和 p 区的载流子符合的时候多余的载流子将会以光子的方式释放。此过程就是将电能转换光能。一个发光 基本结构包括 芯片、光学系统和电极等组成。在利用半导体的特性时外加足够高的正向导通直流电压时，材料中的空穴和电子分别流向 p 区和 n 区。在 处，空穴载流子和电子载流子相遇复合，剩下的载流子就会以光子的方式产生光。 （ 2） 动特性 由于 芯片不同会导致 压和电流的特性曲线不同19。 电压与电流特性曲线如图 示。 图 电压与电流特性曲线 从图中可以看出在发光二级正向电压当中电压的变化会引起电流的剧烈变化，那么是发光二极管亮度也受到剧烈的波动，为了得到一个稳定亮度的发光二极管，就要是发光二级管在恒定的电流当中。由于防止外向接入的电压过大都会在发光二级管接入一个限流电阻，因为当外部电压过于波动的时候很容易致使 端电压超过正向导通电压使其损坏。 （ 3） 接方式 光强度与通过二极管的电流成正比，有几种方法可以使多个 发光强1 2 3 V 3 2 1 15 太阳能半导体照明系统工作原理分析 14度达到近似的匹配20，一种是将每条支路上的 稳压源并联配置，一种是将所有的二极管串联配置，但在个别 情况下，也可采用混合的并 联/串联配置方式，使通过每个二极管的电流都相同。并联配置偏向于采用一个稳流源而不是一个电阻，因为即使对于相同的偏置条件，二极管的正向电压变化可达 20%，这对于光强度有直接的影响，用户可以察觉得到。串联配置则消除了这个问题，但需要一个高压升压驱动器。 并联配置的主要优点在于其可以使用低压工艺，但缺点是每个二极管需要独立的电流源管脚，增加了封装的管脚数量和相应的 盘。在设计集成电路时也需要小心，实现每个电流源的紧密匹配。作为参考点，基于电感升压的串联配置解决方案可以在相同的工作电压范围内轻易实现 75%效率。 总之，对串联、并联或混联的应用没有绝对的答案，设计人员应根据特定应用的需要选择合适的 置，以获得最佳的性价比21。 串联驱动：由于 度几乎完全由电流控制，因此，只要使用相同或匹配的电流，各个 可获得相同的亮度。图 串行连接的 使用反馈电阻器来控制 流。 图 联驱动方式 正向电压各有不同， 串联可保证流经各 电流相同，即使得全部 亮度都是一致的。 并联驱动：在电源电压较为有限的应用场合，多个 能以并联方式工作。图3示为并行连接的 这些并联模式的恒流驱动芯片使用限流电阻来检测 流。电流可以利用反馈连接至 限流电阻进行调节 太阳能半导体照明系统工作原理分析 15余下 限流电阻器会与第一个 电流进行匹配。由于 间的正向电压各不相同，因此各 间存在着正向电流的匹配度问题。 图 联连接方式 值得一提的是， 动器供应商经常吹捧 流匹配精确性在 5%之间的差异，以及其供应的驱动器正处于这水平内。实际上，人眼根本察觉不到 间如此小的亮度差别。虽然电流匹配的精确性在 5%或以下是最好的，但在 5%以下任何精度之间的差别都只是细微至不能察觉。 混联驱动：混联是指混合的串联/并联的驱动方式，如图 示。在驱动数量较多的 宜采用混联的驱动方式。 图 连驱动方式 3 太阳能半导体照明系统工作原理分析 16例如假设需要以同样电流驱动 12 个白光 据搜集到的驱动芯片资料, 量最多的一款芯片22，但最多也只能驱动 8 个 采用串联驱动方式，则需要 40V 以上的电压来驱动 12 个 成的 ，这个高电压需求使得串联驱