引言
過去 40 年以來，全世界的用電費用都在穩(wěn)步上升。自 1970 年以來，除了有幾段時間電價保持不變，還有極少數(shù)的幾次輕微下降，用電費用幾乎每年都在上升。有幾種因素導致這種趨勢的原因，其中包括人口日益增加以及數(shù)字時代的出現(xiàn)。盡管歷史對未來有指導作用，但是公用事業(yè)公司仍然面臨著一些全新挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)為未來幾年電價大幅提高奠定了基礎。
有 3 個主要因素將在未來 10 年促使電價升高：
§ 所需的基礎設施投資
§ 復合價格效應
§ 越來越多的環(huán)保法規(guī)
這些因素合起來有可能導致住宅電價上漲，在未來幾年價格有可能顯著攀升。
公用事業(yè)公司與其他任何公開上市的公司一樣，都有投資者和股東。公用事業(yè)公司肩負著以盈利形式為投資者賺取回報的期望，在其成本上升時，公用事業(yè)公司會將這些成本傳遞到客戶身上。
基礎設施投資已有一段相當長的時間落后于增長。電力行業(yè)是資本最密集的領域之一，與改善電網(wǎng)有關的資本成本對決定零售電價有很大的影響。
為了彌補數(shù) 10 年來的投資不足，公用事業(yè)公司已經(jīng)開始再次投資建設核心基礎設施，其中包括建造新的發(fā)電廠、加固送電系統(tǒng)等，尤其是向家庭送電的高壓傳輸線、變電站以及配電系統(tǒng)。例如，愛迪生電力研究所 (Edison Electric Institute) 估計，到 2030 年，美國公用事業(yè)公司在擴展和改善基礎設施方面，將需要支出 1.5 萬億至 2 萬億美元。另外，通過納入智能電網(wǎng)技術使系統(tǒng)智能化，以符合目前以及擬議中的環(huán)保標準，也會產(chǎn)生一些費用，這部分費用預計將使支出另外再增加 2500 億美元。
復合定價效應指的是，與用戶脫離電網(wǎng)之流失率速度以及客戶因日益重視能源效率而導致耗電量 (千瓦小時) 下降來相比, 需要以更高的速度提高電價。
很多房主和企業(yè)為了躲避不斷上升的電價，正在尋找可替代能源，例如太陽能?？蛻裘撾x電網(wǎng)、停止向公用事業(yè)公司付費后，公用事業(yè)公司的收入就減少了一部分，這部分收入必須從仍然留存的客戶身上恢復。盡管目前僅有很少部分客戶轉(zhuǎn)向了太陽能，但是隨著這部分客戶數(shù)量不可避免地增加，公用事業(yè)公司的成本負擔將傳遞到這部分客戶的鄰居身上。無論公平與否，在公用事業(yè)公司需要產(chǎn)生越來越多的收入以覆蓋不斷增加的成本時，現(xiàn)實情況就是如此。
越來越多的環(huán)保法規(guī)是促使電價提高的第三個重要因素。大多數(shù)電力公司都受到環(huán)保規(guī)則以及空氣和水質(zhì)量要求的制約。盡管有大量證據(jù)表明，這些要求確實幫助降低了污染排放量，并產(chǎn)生了更好的環(huán)保標準，但這是以極高的費用為代價的。隨著公用事業(yè)公司進入更多的減排階段，這種費用就會在客戶的電費賬單中反映出來，而且必須公平合理地分散到所有電網(wǎng)客戶身上。
因此，太陽能電池陣列越來越多地出現(xiàn)在了住宅、學校、工業(yè)建筑物、停車場以及任何陽光清晰可見的地方。在氣候使太陽能發(fā)電更容易的戰(zhàn)略性區(qū)域，人們安裝了太陽能發(fā)電場。盡管大多數(shù)可再生能源系統(tǒng)往往作為公用事業(yè)公司提供的電網(wǎng)電力的補充，但是有些項目 (包括新的數(shù)據(jù)中心太陽能項目) 已經(jīng)開始設計為僅將電網(wǎng)提供的電力作為備份能源使用。
由于太陽能電池板的數(shù)量、配置方式以及相對尺寸不同，所以會產(chǎn)生多種可提供的電壓和功率。多種電壓和功率可能導致需要多個電源級，以實現(xiàn)所需的輸出電壓和最大功率。不過，多個電源級導致效率降低和成本上升。顯然，為了給電池充電和 / 或?qū)⑻柲茈娫崔D(zhuǎn)換成可以送回電網(wǎng)的 AC 電壓，從原始太陽能電源到穩(wěn)定固定電壓的轉(zhuǎn)換這一環(huán)節(jié)需要改進。凌力爾特最近推出的 LT8705 解決了很多這類問題，提供了一種簡化的解決方案。
一種新方法
LT8705 是一款效率非常高 (高達 98%) 的同步降壓-升壓型 DC/DC 控制器，用高于、低于或等于穩(wěn)定輸出電壓的輸入電壓工作。這個器件有 4 個反饋環(huán)路，用以調(diào)節(jié)輸入電流 / 電壓和輸出電流 / 電壓。輸入電流和電壓反饋環(huán)路可防止太陽能電池過載。輸出電流環(huán)路為電池充電器提供穩(wěn)定的輸出電流，或者作為電流源使用。LT8705 在 2.8V 至 80V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，產(chǎn)生 1.3V 至 80V 的輸出，采用單個電感器提供 4 開關同步整流。用單個器件可提供高達 250W 的輸出功率。當多個電路配置為并聯(lián)連接時，可以提供更大的輸出功率。LT8705 采用專有的電流模式控制架構(gòu)，以在降壓或升壓模式以恒定頻率工作，該器件具備 4 個強大的內(nèi)置 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動器。用戶可以選擇以強制連續(xù)、斷續(xù)和突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，以最大限度地提高輕負載時的效率。
其他特點包括指示反饋環(huán)路處于工作狀態(tài)的伺服引腳、給外部器件供電的 3.3V/12mA LDO、可調(diào)軟啟動、內(nèi)置芯片溫度監(jiān)視器、以及 -40°C 至 125°C 的工作結(jié)溫范圍。LT8705 采用 38 引腳 5mm x 7mm QFN 或 38 引線 TSSOP 封裝。LT8705 的 LTspice 電路模型也已提供，可用來非常容易和快速地評估所有種類的創(chuàng)意應用。
LT8705 包含 4 個誤差放大器，允許該器件調(diào)節(jié)或限制輸出電流、輸入電流、輸入電壓和輸出電壓。在一個典型應用中，輸出電壓也許是穩(wěn)定的，而其余的誤差放大器監(jiān)視過大的輸入或輸出電流或輸入欠壓情況。在其他應用中 (例如電池充電器) 輸出穩(wěn)流器可為以恒定電流充電提供方便，直至達到預定電壓為止，這時輸出電壓控制會接管過來。 圖 1 中的方框圖顯示了太陽能電池板的輸入，這里LT8705 用于電池充電應用。
圖 1：LT8705 太陽能電池板電池充電器方框圖
TO INDUCTOR CURRENT SENSE CIRCUITS：至電感器電流檢測電路
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伺服指示器
在圖 1 所示方框圖中，LT8705 用其內(nèi)置的 EA3 誤差放大器監(jiān)視太陽能電池板的輸入電壓，以確保該電壓不會出故障。該器件還用一個使用 EA1 誤差放大器的恒定電流源給 4 個串聯(lián)的鉛酸電池充電。盡管 LT8705 有 4 個伺服引腳，但是為清晰起見，這個例子僅顯示了其中的兩個。電池充電器電流源是在 LT8705 的控制，以提供 5A 充電電流，如紅色 LED 指示器所示。不過，如果太陽能電池板電壓降至低于預定電壓，那么 LT8705 就會降低充電電流，以防止太陽能電池板電壓出故障。方框圖中未顯示的其他兩個伺服引腳是輸入電流和輸出電壓引腳。如果需要最大功率點跟蹤 (MPPT)，那么所有這些伺服指示器都非常有用。
完整的 LT8705 原理圖如圖 2 所示，該電路在 28V 至 72V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，就太陽能應用而言，這一范圍足夠覆蓋太陽能電池板的輸入范圍了。有 4 個外部 MOSFET，允許這個電路用作同步降壓 / 升壓型轉(zhuǎn)換器，并配置為電流源，以給 4 個而每個為 12V 的鉛酸電池充電。
圖 2：完整的 LT8705 太陽能電池充電器應用原理圖
FOUR EACH 12V LEAD ACID BATTERIES：4 個而每個為 12V 的鉛酸電池
TO DIODE：至二極管
28V TO 72V：28V 至 72V
電源開關控制
圖 3 所示是一個簡化圖，顯示了 4 個電源開關怎樣連接至電感器、VIN、VOUT 和地。
圖 3：由 LT8705 驅(qū)動 4 個 MOSFET 開關的簡化圖
當 VIN 顯著高于 VOUT 時，該器件將以降壓模式工作。在這個工作區(qū)域內(nèi)，M3 始終斷開，M4 則始終接通，除非在以突發(fā)模式或斷續(xù)模式工作時監(jiān)測到了反向電流。在每個周期開始時，同步開關 M2 首先接通，由一個內(nèi)部放大器檢測電感器電流。斜率補償斜坡被加到檢測到的電壓上，然后比較這個電壓和基準電壓。在所檢測的電感器電流降至低于這個基準時，開關 M2 斷開，M1 (同步整流器) 在該周期的剩余時間內(nèi)保持接通。開關 M1 和 M2 將交替工作，表現(xiàn)得就像一個典型的同步降壓型穩(wěn)壓器一樣。
隨著 VIN 和 VOUT 變得相互接近，占空比會下降，直至達到降壓模式時轉(zhuǎn)換器的最小占空比為止，然后該器件進入降壓-升壓區(qū)，所有 4 個 MOSFET 都以開關模式工作。
當 VOUT 顯著高于 VIN 時，該器件將以升壓模式工作。在這個工作區(qū)域內(nèi)，M1 始終接通，M2 則始終斷開。在每個周期開始時，開關 M3 首先接通，由一個內(nèi)部放大器檢測電感器電流。在所檢測的電感器電流上升至高于基準電壓時，開關 M3 斷開，開關 M4 在該周期的剩余時間內(nèi)保持接通。開關 M3 和 M4 將交替工作，表現(xiàn)得就像一個典型的同步升壓型穩(wěn)壓器一樣。
雙向超級電容器充電器
LT8705 還可配置為雙向超級電容器充電器，如圖 4 的簡化原理圖所示。這個電路靠一個具備 12V 標稱輸入電壓的 PCI 背板工作。當輸入電壓存在時，電源直接向系統(tǒng)負載 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，并通過隔離二極管向 LT8705 超級電容器充電器電路供電。用 1A 充電電流給 6 個串聯(lián)的超級電容器充電至 15V。當去掉 12V PCI 背板輸入時，LT8705 就反向工作，將超級電容器的能量供給 12V 負載。在這種模式時，可以提供高達 6A 的電流。
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通過這種方式，單個雙向電源取代了兩個傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制電源，從而大幅節(jié)省了成本、減少了器件數(shù)量。此外，由于無須額外的電源布線 / 管理，因此減少了器件數(shù)量、降低了額外電路可能導致的功率損耗。
圖 4：簡化的 LT8705 雙向超級電容器備份電路
BACKPLANE：背板
POWER FLOW：電源供電流向
LOADS：負載
LIMIT CAP CHARGING CURRENT TO 1A：將電容器充電電流限制為 1A
REGULATE CAPS TO 15V：將電容器電壓調(diào)節(jié)至 15V
故障情況
LT8705 在某些工作情況下激活故障序列。如果發(fā)生了這些情況中的任一種，例如過流或過壓情況，那么就禁止內(nèi)部開關和時鐘輸出。同時，超時序列開始提供，這時軟啟動功能需要重新初始化。如果故障持續(xù)，例如在過流情況下，那么將不允許軟啟動功能重新啟動轉(zhuǎn)換器。故障情況消除且預定超時周期結(jié)束之后，轉(zhuǎn)換器將重新啟動，啟動速率視分配給 LT8705 軟啟動引腳的電容器值而定。超時周期減輕該器件以及其他下游電源組件的電氣和熱量壓力。
結(jié)論
顯然，全世界的公用事業(yè)公司都將在未來幾年提高電價。因此，用太陽能電池板產(chǎn)生清潔能源，可以降低甚至有可能消除消費者對電力公司的依賴。這將不可避免地導致安裝很多太陽能供電系統(tǒng)。然而，由于太陽能電池板的配置、相對大小和數(shù)量不同，所以太陽能電池板會提供很多種電壓和功率。這么多種電壓和功率可能導致需要多個電源級，以提供所希望的輸出電壓和最大功率。幸運的是，具備寬輸入電壓范圍和 4 個調(diào)節(jié)環(huán)路的 LT8705 可以減少提供高效率簡化解決方案所需的電源級數(shù)量，從而簡化了系統(tǒng)設計師的設計工作。最后，清潔能源發(fā)生器的一個附帶好處是，將為我們所有人創(chuàng)造一個更加“綠色”的環(huán)境。
參考資料
(1) Patriot Solar and Roofing，2009 年5月，提供了有關所需基礎設施投資、復合價格效應以及環(huán)保法規(guī)的信息。
下載文檔
