安森美半导体应用智能电网高能效解决方案

市场机遇与挑战

发展可再生能源是大势所趋。而太阳能和风力发电是智能电网的组成部分，同属于分布式发电范畴。推动智能电网发展可以带来许多优势，如利用双向通讯实 现需求对应管理，缓和用电高峰，快速发现故障，避免停电事故，从而实现更高能效、可靠性及安全性；智能地整合新的替代能源，并为电动和混合动力汽车提供电 力；更好地调整能源供需，更高效地利用发电厂及电网，减少碳排放量；提供动态的费率表，帮助客户优化总电能消费及电费支出，改善客户服务；及远程读表及远 程通电和断电可以节省人力成本，提高运营效率等。

在推进可持续发展的共识下，中国目前正在大力发展太阳能、风能等产业，前景看好。其中太阳能领域的技术已经日趋成熟，太阳能发电等都获得了长足发 展，太阳能街道照明也越来越受到青睐。此外，为导入新一代智能电网而完善电力基础设施，中国政府制订了到2020年投入4万亿元人民币的宏伟目标，其中的 “坚强的智能化电网(Strong＆Smart Grid)”的概念已在上海世博会展示。

不过，在发展可再生能源和升级改造现有电网的同时，也面临着不少挑战。对半导体行业来说，最大的挑战莫过于能量转换，因为发展可再生能源的关键在于 优化能效。以太阳能供电的led街道照明为例，这种应用需要高效可靠的太阳能板充电控制器，以及LED驱动器等关键器件，需求相当可观。而智能电网从发 电、配电和现场区域网到智能电表通信及家庭区域网，也都需要诸多电子元器件。其中包括功率因数控制器、交流-直流(AC-DC)和直流-直流(DC- DC)控制器、稳压器、MOSFET、三端双向可控硅开关元件(TRIAC)、电力线载波调制解调器、滤波、输入/输出(I/O)及数据保护、线路驱动器 及信号放大器、LCD背光驱动器、EEPROM存储器及智能卡接口等。

应用于智能电网的高能效解决方案示例

1. 提升太阳能电池板光电转换能效的方案

近年来，业界越来越关注利用可再生清洁能源太阳能的街道照明。对于太阳能街灯而言，提高太阳能电池板的光电转换能效非常重要。太阳能电池板的电压- 电流(V-I)特性曲线呈现非线性和可变性，要从中获取最大量的电能非常困难。这需要太阳能LED街灯的充电控制器及其他相关电子电路(一般采用微控制器 来实现)尽可能采用有效的控制方法来提高能效。

安森美半导体的CS51221增强型电压模式PWM控制器就是一种可提高太阳能电池板能效的器件。它可以控制太阳能板电池充电，支持最大峰值功率追 踪(MPPT)功能，为太阳能电池不断变化的V-I特性曲线提供补偿，优化太阳能电池的功率输出，提高能效，并使蓄电池充电至优化电量。

在应用电路中，需要为CS51221选择合适的拓扑结构。该拓扑结构要能够在一个蓄电池的情况下将太阳能板输出电压降至12V，而在两个或多个蓄电 池情况下也能轻易修改，支持升压至24V。CS51221本身能够配置为正激、反激或升压拓扑结构。在针对太阳能板充电控制应用推出的参考设计中，安森美 半导体选择的是反激拓扑结构。

在应用中，通过在ISET引脚动态调节电流限制，从而实现最大峰值功率追踪功能。一旦输入电压逐脉冲下降，电流限制就会被降低，直至输入电压恢复。 这种方式无需使用价格昂贵的微控制器。这样实现的充电控制器会发现峰值功率点并进行动态调节，使其符合不断变化的电源特性。实际上，通过采用最大峰值功率 追踪技术，可以将较以往多30%的电荷从太阳能板传输至蓄电池，这样太阳能街灯系统就可以采用尺寸更小的太阳能板，从而带来显著的成本效益。图1是采用安 森美半导体CS51221控制器的太阳能板充电控制应用示意图。

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图1：采用安森美半导体CS51221控制器的太阳能板充电控制应用

此外，安森美半导体的NCP3066恒流降压稳压器也能用于太阳能街灯的LED驱动应用，提供系统所需的功率及光输出，并具有极高的能效。