CN108494231B - 一种太阳能电池同步二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池同步二极管，其包括主功率MOS管M1，输入端与主功率MOS管M1的漏极相连接、输出端经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极相连接的供电电路，以及分别与主功率MOS管M1和供电电路连接的MOS管控制模块；所述主功率MOS管M1的漏极形成该太阳能同步二极管的负极、其源极形成该太阳能同步二极管的正极；其特征在于，所述供电电路包括输入端均与主功率MOS管M1的漏极连接、输出端均与MOS管控制模块和贮能电容C1连接的正电压供电电路和负电压供电电路。本发明通过供电电路将主功率MOS管漏极和源极间的微弱电压转换为高电压为贮能电容充电，从而使贮能电容的能量可以满足太阳能电池组因为损坏或被遮光时主功率MOS管的开通需求。

Description

一种太阳能电池同步二极管

技术领域

本发明涉及电子领域，具体是指一种太阳能电池同步二极管。

背景技术

太阳能是新能源中最有前景的能源，其在应用时是将多节太阳能电池串接起来组成12V或24V的电池模组，再将多节电池组串接起来以进一步提高电压输出。太阳能电池组在使用过程中有可能其中一组损坏或被遮光，此时该组损坏或被遮光的太阳能电池组不仅无法提供能量输出，而且还会成为别的太阳能电池组的负载，导致整个太阳能电池组的供电效率降低。因此，通常情况下会给每一组太阳能电池组并联一个二极管，以防止电池组成为整组电源的负载。然而，常规二极管的开启电压都在0.4V以上，其在低电压大电流下损耗很大，这样也会降低太阳能电池组的效率。

采用同步二极管代替常规二极管可以降低电路的损耗，申请号为CN201510390992.8的发明专利公开了一种开关变换器用同步二极管，但是开关变换器用同步二极管的工作频率较高，其内部MOS管的开通与关断都在毫秒级以下，开关变换器用同步二极管的MOS管关断时，其供电电路可以方便的为供电电容充电，以提供控制电路的能量；然而，太阳能电池组因为损坏或被遮光时，同步二极管内的MOS管的开通需达到数十小时，而开关变换器用同步二极管的供电电容贮存的能量不足以提供如此多的能量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种太阳能电池同步二极管。

一种太阳能电池同步二极管，其包括主功率MOS管M1，输入端与主功率MOS管M1的漏极相连接、输出端经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极相连接的供电电路，以及分别与主功率MOS管M1和供电电路连接的MOS管控制模块；所述主功率MOS管M1的漏极形成该太阳能电池同步二极管的负极、其源极形成该太阳能电池同步二极管的正极；所述供电电路包括输入端均与主功率MOS管M1的漏极连接、输出端均与MOS管控制模块和贮能电容C1连接的正电压供电电路和负电压供电电路；所述主功率MOS管M1的漏极电压高于源极电压时正电压供电电路供电，主功率MOS管M1的漏极电压低于源极电压时负电压供电电路供电。

进一步的，所述正电压供电电路包括耗尽型MOS管M2，P极与耗尽型MOS管M2的源极连接、N极经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极连接的二极管D2，以及输入端与二极管D2的N极连接、输出端与耗尽型MOS管M2的栅极连接的正压供电控制电路；所述耗尽型MOS管M2的漏极与主功率MOS管M1的漏极连接；

所述正压供电控制电路用于检测贮能电容C1的电压，并根据贮能电容C1的电压控制耗尽型MOS管M2的导通与关断。

所述负电压供电电路包括与主功率MOS管M1相连接的倍压网络，P极与倍压网络输出端连接、N极经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极连接的二极管D3，以及输入端与贮能电容C1连接、输出端与倍压网络连接的负压供电控制电路；所述倍压网络包括一级以上且依次连接的倍压电路，最后一级倍压电路的输出端与二极管D3的P极连接。

所述倍压电路包括源极与主功率MOS管M1的漏极连接的开关MOS管M3，源极均与主功率MOS管M1的源极连接的开关MOS管M4和开关MOS管M7，串接在开关MOS管M3的漏极和开关MOS管M4的漏极之间的电容C2，源极与开关MOS管M3的漏极连接、漏极经电容C3后与开关MOS管M7的漏极连接的开关MOS管M5，以及源极与开关MOS管M3的漏极连接、漏极与开关MOS管M7的漏极连接的开关MOS管M6；所述开关MOS管M5的漏极形成倍压电路的输出端；所述开关MOS管M3、M4、M5、M6、M7的栅极均与负压供电控制电路的输出端连接。

所述MOS管控制模块包括供电端分别与二极管D2的N极和二极管D3的N极连接、输出端与主功率MOS管M1的栅极连接的逻辑电路，输入端与主功率MOS管M1的漏极连接、输出端与逻辑电路的输入端连接的电压判定电路；所述逻辑电路的接地端与主功率MOS管M1的源极连接；

所述电压判定电路用于判定主功率MOS管M1的电压，当主功率MOS管M1的漏极电压高于源极电压时，电压判定电路输出低电平给逻辑电路，逻辑电路输出低电压给主功率MOS管M1的栅极，主功率MOS管M1关断；当主功率MOS管M1的漏极电压低于源极电压时，电压判定电路输出高电平给逻辑电路，逻辑电路输出高电压给主功率MOS管M1的栅极，主功率MOS管M1开通。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过供电电路将主功率MOS管漏极和源极间的微弱电压转换为高电压为贮能电容充电，从而使贮能电容的能量可以满足太阳能电池组因为损坏或被遮光时主功率MOS管的开通需求。

（2）本发明将各个部件封装在一个芯片上，且具有两个与常规二极管对应的正极和负极，其可以在线路中直接代替现有的常规二极管，电路十分简洁，占用PCB的面积小，一致性与可靠性得到提高。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明的正电压供电电路的结构连接示意图。

图3为本发明的倍压网络的结构连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例的太阳能电池同步二极管，其包括主功率MOS管M1，输入端与主功率MOS管M1的漏极相连接、输出端经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极相连接的供电电路，以及分别与主功率MOS管M1和供电电路连接的MOS管控制模块；所述主功率MOS管M1的漏极形成该太阳能电池同步二极管的负极、其源极形成该太阳能电池同步二极管的正极；主功率MOS管M1可采用IRF3205型MOS管。

具体实施时，上述各个部件封装在一个芯片上，通过正极和负极可以直接接入线路中，因此可以直接代替现有的常规二极管。

所述MOS管控制模块包括供电端与供电电路的输出端连接、输出端与主功率MOS管M1的栅极连接的逻辑电路，输入端与主功率MOS管M1的漏极连接、输出端与逻辑电路的输入端连接的电压判定电路；所述逻辑电路的接地端与主功率MOS管M1的源极连接。

所述电压判定电路用于判定主功率MOS管M1的电压，当主功率MOS管M1的漏极电压高于其源极电压时，电压判定电路输出低电平给逻辑电路，逻辑电路输出低电压给主功率MOS管M1的栅极，主功率MOS管M1关断，即该太阳能电池同步二极管关断。当主功率MOS管M1的漏极电压低于源极电压时，电压判定电路输出高电平给逻辑电路，逻辑电路输出高电压给主功率MOS管M1的栅极，主功率MOS管M1开通，即该太阳能电池同步二极管导通。根据检测电压输出相应高电平或低电平的电压判定电路为目前的成熟技术，在此不再对电压判定电路的结构进行赘述。根据输入电压来输出高电压或低电压来控制MOS管关断或开通的逻辑电路也为目前的成熟技术，在此不再对逻辑电路的结构进行赘述。

供电电路用于给电压判定电路、逻辑电路以及贮能电容C1供电。如图1所示，该供电电路包括输入端均与主功率MOS管M1的漏极连接、输出端均与逻辑电路的供电端和贮能电容C1连接的正电压供电电路和负电压供电电路。当主功率MOS管M1的漏极电压高于其源极电压时，由正电压供电电路供电；当主功率MOS管M1的漏极电压低于其源极电压时，由负电压供电电路供电。

如图2所示，该正电压供电电路包括耗尽型MOS管M2，P极与耗尽型MOS管M2的源极连接、N极经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极连接的二极管D2，以及输入端与二极管D2的N极连接、输出端与耗尽型MOS管M2的栅极连接的正压供电控制电路；所述耗尽型MOS管M2的漏极与主功率MOS管M1的漏极连接。该耗尽型MOS管M2为BSS229型MOS管，二极管D2的型号为1N4001。

所述正压供电控制电路用于检测贮能电容C1的电压，并根据贮能电容C1的电压控制耗尽型MOS管M2的导通与关断。具体的，正压供电控制电路检测贮能电容C1上的电压，当贮能电容C1上的电压低于设计值时，正压供电控制电路控制耗尽型MOS管M2开通，主功率MOS管M1的漏极电压经耗尽型MOS管M2及二极管D2流向贮能电容C1，为贮能电容C1充电；当贮能电容C1上的电压达到设定电压时，正压供电控制电路关断耗尽型MOS管M2；如此则达到由正电压供电电路供电的目地 。该正压供电控制电路为数字控制电路，通过检测电容的电压并根据电压大小来控制MOS管导通与关断的数字控制电路已是目前的成熟技术，在此不作赘述。

如图3所示，该负电压供电电路包括与主功率MOS管M1相连接的倍压网络，P极与倍压网络输出端连接、N极经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极连接的二极管D3，以及输入端与贮能电容C1连接、输出端与倍压网络连接的负压供电控制电路。

当主功率MOS管M1开通时，电流由主功率MOS管M1的源极流向漏极，由于主功率MOS管M1内部具有寄生二极管D1，因此主功率MOS管M1存在内阻，所以主功率MOS管M1的漏极和源极之间只有几十毫伏电压，且漏极电压低于源极电压，此时主功率MOS管M1无法给电压判定电路、逻辑电路以及贮能电容C1供电，因此需要将主功率MOS管M1漏极的毫伏级别电压倍压到几十倍或上百倍才可以为电压判定电路、逻辑电路以及贮能电容C1供电；基于此，该倍压网络包括一级以上且依次连接的倍压电路，即该倍压网络包括了一级或多级的倍压电路，每级倍压电路的结构相同，当包括多级倍压电路时，第一级倍压电路的输入端与主功率MOS管M1连接、其输出端则与下一级倍压电路的输入端连接，以此类推，最后一级倍压电路的输出端则与二极管D3的P极连接。

本实施例以倍压网络包括有三级倍压电路进行说明，如图3所示，该第一级倍压电路包括开关MOS管M3，开关MOS管M4，开关MOS管M5，开关MOS管M6，开关MOS管M7，电容C2以及电容C3。

具体的，该开关MOS管M3的源极与主功率MOS管M1的漏极连接，开关MOS管M4和开关MOS管M7的源极均与主功率MOS管M1的源极连接，电容C2串接在开关MOS管M3的漏极和开关MOS管M4的漏极之间，开关MOS管M5的源极与开关MOS管M3的漏极连接、漏极经电容C3后与开关MOS管M7的漏极连接，开关MOS管M6的源极与开关MOS管M3的漏极连接、漏极与开关MOS管M7的漏极连接。所述开关MOS管M5的漏极形成倍压电路的输出端，即A点为第一级倍压电路的输出端；所述开关MOS管M3、M4、M5、M6、M7的栅极均与负压供电控制电路的输出端连接。

第二级倍压电路包括开关MOS管M8，开关MOS管M9，开关MOS管M10，开关MOS管M11，开关MOS管M12，电容C4以及电容C5。

具体的，该开关MOS管M8的源极与开关MOS管M5的漏极连接，开关MOS管M9和开关MOS管M12的源极均与开关MOS管M7的源极连接，电容C4串接在开关MOS管M8的漏极和开关MOS管M9的漏极之间，开关MOS管M11的源极与开关MOS管M8的漏极连接、漏极经电容C5后与开关MOS管M12的漏极连接，开关MOS管M10的源极与开关MOS管M8的漏极连接、漏极与开关MOS管M12的漏极连接。所述开关MOS管M11的漏极形成倍压电路的输出端，即B点为第二级倍压电路的输出端；所述开关管MOS管M8、M9、M10、M11、M12的栅极均与负压供电控制电路的输出端连接。

第三级倍压电路包括开关MOS管M13，开关MOS管M14，开关MOS管M15，开关MOS管M16，开关MOS管M17，电容C6以及电容C7。

具体的，该开关MOS管M13的源极与开关MOS管M11的漏极连接，开关MOS管M14和开关MOS管M17的源极均与开关MOS管M12的源极连接，电容C6串接在开关MOS管M13的漏极和开关MOS管M14的漏极之间，开关MOS管M16的源极与开关MOS管M13的漏极连接、漏极经电容C7后与开关MOS管M17的漏极连接，开关MOS管M15的源极与开关MOS管M13的漏极连接、漏极与开关MOS管M17的漏极连接。所述开关MOS管M16的漏极形成倍压电路的输出端并与二极管D3的P极连接，即C点为第三级倍压电路的输出端；所述开关管MOS管M13、M14、M15、M16、M17的栅极均与负压供电控制电路的输出端连接；该负压供电控制电路还分别与贮能电容C1以及电容C1～C7连接，用于检测贮能电容C1以及电容C1～C7的电量。开关管MOS管M13、M14、M15、M16、M17的型号均为2N6756，二极管D3的型号为1N4001。

该负压供电控制电路用于检测贮能电容C1和电容C1～C7的电压，并根据检测电压控制倍压电路中的开关MOS管的导通与关断；该负压供电控制电路为数字控制电路，通过检测电容的电压并根据检测电压的大小来控制MOS管脚的导通与关断的数字控制电路已是成熟技术，其结构不再赘述，其控制原理如下：

负电压供电电路工作时主功率MOS管M1开通，主功率MOS管M1的漏极和源极之间只有几十毫伏电压，此时负压供电控制电路控制开关MOS管M3、M4、M5、M7开通，开关MOS管M6关断，电容C2和电容C3并联充电，当电容C2和电容C3上的电压等于主功率MOS管M1的源极和漏极之间的电压时，控制开关MOS管M3、M5、M7关断，而开关MOS管M4、M6则开通，此时电容C1和电容C2串联，第一级倍压电路的输出端的电压为主功率MOS管M1的源极和漏极之间的电压的两倍，即A点电压为主功率MOS管M1的源极和漏极之间的电压的2倍。同时控制开关MOS管M8、M9、M11、M12开通，开关MOS管 M10则关断，此时电容C4和电容C5同时并联充电，当电容C4和电容C5的充电电压达到A点电压时，控制开关MOS管M8、M11、M12关断，开关MOS管M9、M10开通，此时电容C4和电容C5串联，第二级倍压电路的输出端B点的电压为A点电压的2倍，为主功率MOS管M1的源极和漏极之间的电压的4倍。负压供电控制电路控制开关MOS管M13、M14、M16、M17开通，并关断开关MOS管M15，电容C6和电容C7并联充电，当电容C6和电容C7的充电电压达到B点电压时，控制开关MOS管M13、M16、M17关通，开关MOS管M14、M15开通，此时电容C6和电容C7串联，第三级倍压电路的输出端C点的输出电压为B点电压的2倍，为主功率MOS管M1的源极和漏极之间的电压的8倍。经过倍压后的电压经由二极管D3整流后输出到贮能电容C1，电压经过倍压整流后完成了负微小电压的升压与换向。

以此类推，倍压电路的级数越多，倍压网络输出的电压越高，直至满足电压判定电路和逻辑电路的工作需求，以及贮能电容C1的充电需求，使贮能电容的能量可以满足太阳能电池组因为损坏或被遮光时主功率MOS管的开通需求。

如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (3)

1.一种太阳能电池同步二极管，其包括主功率MOS管M1，输入端与主功率MOS管M1的漏极相连接、输出端经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极相连接的供电电路，以及分别与主功率MOS管M1和供电电路连接的MOS管控制模块；所述主功率MOS管M1的漏极形成该太阳能电池同步二极管的负极、其源极形成该太阳能电池同步二极管的正极；其特征在于，所述供电电路包括输入端均与主功率MOS管M1的漏极连接、输出端均与MOS管控制模块和贮能电容C1连接的正电压供电电路和负电压供电电路；所述主功率MOS管M1的漏极电压高于源极电压时正电压供电电路供电，主功率MOS管M1的漏极电压低于源极电压时负电压供电电路供电；

所述正电压供电电路包括耗尽型MOS管M2，P极与耗尽型MOS管M2的源极连接、N极经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极连接的二极管D2，以及输入端与二极管D2的N极连接、输出端与耗尽型MOS管M2的栅极连接的正压供电控制电路；所述耗尽型MOS管M2的漏极与主功率MOS管M1的漏极连接；

其中，所述正压供电控制电路检测贮能电容C1上的电压，当贮能电容C1上的电压低于设计值时，正压供电控制电路控制耗尽型MOS管M2开通，主功率MOS管M1的漏极电压经耗尽型MOS管M2及二极管D2流向贮能电容C1，为贮能电容C1充电；当贮能电容C1上的电压达到设定电压时，正压供电控制电路关断耗尽型MOS管M2；

所述负电压供电电路包括与主功率MOS管M1相连接的倍压网络，P极与倍压网络输出端连接、N极经贮能电容C1后与主功率MOS管M1的源极连接的二极管D3，以及输入端与贮能电容C1连接、输出端与倍压网络连接的负压供电控制电路；所述倍压网络包括一级以上且依次连接的倍压电路，最后一级倍压电路的输出端与二极管D3的P极连接。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池同步二极管，其特征在于，所述倍压电路包括源极与主功率MOS管M1的漏极连接的开关MOS管M3，源极均与主功率MOS管M1的源极连接的开关MOS管M4和开关MOS管M7，串接在开关MOS管M3的漏极和开关MOS管M4的漏极之间的电容C2，源极与开关MOS管M3的漏极连接、漏极经电容C3后与开关MOS管M7的漏极连接的开关MOS管M5，以及源极与开关MOS管M3的漏极连接、漏极与开关MOS管M7的漏极连接的开关MOS管M6；所述开关MOS管M5的漏极形成倍压电路的输出端；所述开关MOS管M3、M4、M5、M6、M7的栅极均与负压供电控制电路的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能电池同步二极管，其特征在于，所述MOS管控制模块包括供电端分别与二极管D2的N极和二极管D3的N极连接、输出端与主功率MOS管M1的栅极连接的逻辑电路，输入端与主功率MOS管M1的漏极连接、输出端与逻辑电路的输入端连接的电压判定电路；所述逻辑电路的接地端与主功率MOS管M1的源极连接；

所述电压判定电路用于判定主功率MOS管M1的电压，当主功率MOS管M1的漏极电压高于源极电压时，电压判定电路输出低电平给逻辑电路，逻辑电路输出低电压给主功率MOS管M1的栅极，主功率MOS管M1关断；当主功率MOS管M1的漏极电压低于源极电压时，电压判定电路输出高电平给逻辑电路，逻辑电路输出高电压给主功率MOS管M1的栅极，主功率MOS管M1开通。