KR0164530B1 - 최대 전력점 검출회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최대 전력점 검출회로에 관한 것으로서, 특히 태양전지의 출력전압과 출력전류에 응답하는 전력검출신호를 발생하는 전력검출수단; 이전의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따른 전력평균치와 상기 이전의 일정 기간과 동일한 현재의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따른 전력평균치를 비교하는 비교수단; 및 상기 현재의 일정 기간 직후에 상기 비교수단의 출력신호를 래치하고 이전의 일정 기간 직전에 출력을 세트시켜서, 이전의 전력평균치보다 현재의 전력평균치가 더 작으면 상기 태양전지의 출력전력이 감소하는 것으로 판단하고 판단신호를 발생하는 판단수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에서는 간단한 회로구성으로 태양광의 세기나 온도에 관계없이 항상 최대 전력점을 검출할 수 있다.

Description

최대 전력점 검출회로

제1도는 태양전지에 입사되는 태양광의 세기에 따른 출력전압 및 전류특성곡선을 나타낸 그래프.

제2도는 태양전지의 주변 온도에 따른 출력전압 및 전류특성곡선을 나타낸 그래프.

제3도는 종래의 최대 전력 추종기의 구성을 나타낸 회로도.

제4도는 종래의 전력전달의 효율을 최대화 하기 위한 시스템의 구성을 나타낸 블록도.

제5도는 광전지 전력원의 변환효율을 향상시키기 위한 가변 임피던스 정합회로가 결합된 태양에너지 시스템의 구성을 나타낸 회로도.

제6도는 본 발명에 의한 최대 전력점 검출회로의 구성을 나타낸 회로도.

제7도는 제6도의 각 부의 신호파형을 나타낸 타이밍도.

제8도는 태양전지의 출력전압, 전류 및 전력의 관계를 나타낸 그래프.

본 발명은 최대전력점 검출회로에 관한 것으로서, 특히 태양전지에 입사되는 태양광의 세기와 주변온도에 따라 변하는 최대전력점을 추종할 수 있는 최대전력점 검출회로에 관한 것이다.

최근에 태양에너지를 보다 효율적으로 이용하고자 하는 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양에너지를 전기에너지로 변환하기 위하여 태양전지를 사용하는 바, 태양전지의 전력은 제1도에 도시된 바와 같이 태양전지에 입사되는 태양광의 세기와 제2도에 도시된 바와 같이 주변 온도에 따라 변화된다. 이러한 변화는 태양전지의 출력 임피던스를 변화시키게 된다. 따라서, 고정된 부하를 태양전지로 구동하는 경우에는 임피던스 부정합이 발생되어 태양전지로부터 부하로 전력전달의 효율이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 그러므로, 전력전달의 최대를 달성하여 에너지 이용의 효율을 극대화하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

제3도에 도시된 미국특허 4,873,480에서는 태양전지판넬에 셀어레이와 하나의 독립된 셀을 설치하고, 독립된 셀을 통하여 기준전압을 발생하고 이 기준전압과 셀어레이의 출력전압을 비교하여 펄스폭변조신호를 발생하고, 이 펄스폭변조신호에 응답하여 부하에 공급되는 전력을 스위칭함으로써 태양전지의 출력전압이 태양광의 세기 또는 주변 온도에 관계없이 항상 일정한 전압레벨을 유지하고자 하는 기술을 소개하고 있다.

그러나, 상술한 미국특허의 기술은 제1도에 도시한 바와 같이 태양빛에 따른 최대 전력점을 만드는 전압이 약간씩 변화게 되므로 일정 기준전압을 사용하는 것보다는 효율이 높겠지만 항상 모든 조건에서 최대 전력을 전달할 수 없으며 또한 별도의 독립된 셀을 구비하지 않으면 안되는 문제점이 있다.

제4도에 도시된 미국 특허 4,580,090에서는 제2도에 도시된 온도에 따른 태양전지의 전압변동을 보상하기 위하여 태양전지의 출력전압을 검출하고 검출된 전압이 온도에 따라 보상되도록 써미스터를 채용하고 있다. 그러나, 상술한 미국특허의 기술은 태양전지의 출력전압을 저항을 통한 전압분배방식으로 분압하여 검출전압을 얻고 있고 이러한 저항에 직렬로 연결된 써미스터를 이용하여 온도 보상을 하기 때문에 태양빛이 아주 적은 경우에는 제어가 이루어지지 않아 전체적인 효율 저하를 초래하는 문제가 있다.

제5도에 도시된 미국 특허 4,916,382에서는 태양전지의 출력전압과 전류를 아날로그 디지탈변환기를 거쳐서 디지탈 데이터로 얻고 얻은 디지탈 데이터를 마이크로 프로세서에서 프로그램적으로 처리하여 최대 전력점을 축적하고 있는 기술을 개시하고 있다. 그러나 이 특허의 기술은 마이크로 프로세서를 사용함으로서 인터페이스 회로구성 등으로 인한 회로구성이 복잡하고 코스트가 상승하게 되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 태양광의 세기와 주변 온도에 관계없이 항상 최대 전력점을 추종할 수 있는 최대 전력점 검출회로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회로구성이 간단한 최대 전력점 검출회로를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 회로는 태양전지의 출력전압과 출력전류에 응답하는 전력검출신호를 발생하는 전력검출수단; 이전의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따른 전력평균치와 상기 이전의 일정 기간과 동일한 현재의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따른 전력평균치를 비교하는 비교수단; 및 상기 현재의 일정 기간 직후에 상기 비교수단의 출력신호를 래치하고 이전의 일정 기간 직전에 출력을 세트시켜서, 이전의 전력평균치보다 현재의 전력평균치가 더 작으면 상기 태양전지의 출력전력이 감소하는 것으로 판단하고 판단신호를 발생하는 판단수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

제6도는 본 발명에 의한 최대 전력점 검출회로를 결합한 태양전원장치의 구성을 나타낸다. 제6도의 회로는 태양전지, 또는 솔라 셀어레이(10)의 출력전압과 출력전류에 응답하는 전력검출신호를 발생하는 전력검출수단(20)과, 샘플링신호를 발생하는 신호발생수단(30)과, 샘플링신호에 응답하여 이전의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따라 충전된 제1 전하량과 상기 일정 기간과 동일한 현재의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따라 충전된 제2 전하량을 비교하여 현재의 전하량보다 이전의 전하량이 더 크면 상기 태양전지의 출력전력이 감소하는 것으로 판단하고 판단신호를 발생하는 최대 전력점 판단수단(40)을 포함한다. 미설명부호 100은 DC-DC변환기이고 200은 부하이다.

상기 전력검출수단(20)은 상기 태양전지(10)의 출력전압을 검출하여 전압검출신호를 발생하는 전압검출수단(22)과, 상기 태양전지(10)의 출력전류를 검출하여 전력검출신호를 발생하는 전력검출수단(24)과, 상기 전압검출신호와 전력검출신호를 곱하여 상기 전력검출신호를 발생하는 곱셈기(26)로 구성된다.

상기 신호발생수단(30)의 샘플링신호는 제7도에 도시한 바와 같이 한 주기동안(T1, T2, T3)에 하이구간이 로우구간보다 더 긴 제1 스위칭신호(S1)와, 상기 제1 스위칭신호(S1)의 하이구간만큼 시프팅된 제2 스위칭신호(S2)와, 상기 제1및 제2 스위칭신호(S1, S2)와 주기는 동일하고 상기 제1및 제2 스위칭신호(S1, S2)의 하이구간이 오버랩되는 구간에서 한 주기의 하이구간을 가지는 클럭신호(S3)와, 상기 제1및 제2 스위칭신호(S1, S2)와 주기는 동일하고 상기 클럭신호(S3)의 하강엣지에서 상승엣지를 가지는 세트신호(S4)를 포함한다.

상기 최대 전력점 판단수단(40)은 비교기(U1)와, 상기 비교기(U1)의 반전단자(-)와 접지사이에 연결되고 상기 전력검출신호에 응답하여 가변되는 제1 전류원(CS1)과, 상기 비교기(U1)의 비반전단자(+)와 접지사이에 연결되고 상기 전력검출신호에 응답하여 가변되고 상기 제1 전류원(CS1)과 동일한 전류크기를 가지는 제2 전류원(CS2)과, 상기 비교기(U1)의 반전단자(-)와 비반전단자(+) 사이에 연결된 캐패시터(C1)와, 상기 비교기(U1)의 반전단자(-)와 기준전압(Vref)의 사이에 연결되고 상기 제1 스위칭신호(S1)의 하이구간에 온되고 로우구간에 오프되는 제1 스위치(SW1)과, 상기 비교기(U1)의 비반전단자(+)와 기준전압(Vref)의 사이에 연결되고 상기 제2 스위칭신호(S2)의 하이구간에 온되고 로우구간에 오프되는 제2 스위치(SW2)와, 상기 클럭신호(S3)에 응답하여 상기 비교기(U1)의 출력을 래치하고 상기 세트신호(S4)에 응답하여 출력을 세트시키는 D-플립플롭(FF1)을 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과는 다음과 같다.

제6도의 전력검출수단(20)에서는 태양전지(10)의 출력전압(Voc)과 출력전류(Isc)에 따라 제8도에 도시된 바와 같은 특성곡선을 가지는 전력검출신호를 발생한다. 즉, 제8도의 A영역에서는 전력이 증가되고 B영역에서는 전력이 감소하게 된다. 그러므로, 최대 전력점(Pmax)은 전압(Vm)과 전류(Im)의 곱에 의하여 얻어지게 된다.

이와 같은 전력검출신호가 최대 전력점 판단수단(40)에 제공된다. 최대 전력점 판단수단(40)에서는 제7도에 도시된 바와 같이 초기에는 제1및 제2 스위칭신호가 모두 하이상태를 유지하여 비교기의 반전단자 및 비반전단자에는 기준전압이 인가되어 동일전위로 유지된다. 동일 전위일 경우에는 비교기의 출력은 로우상태를 유지하게 된다. 이때 캐패시터의 양단전압은 0상태로 유지된다.

이어서, 제2 스위칭신호가 로우상태로 되고 제1 스위칭신호(S1)의 하이구간인 Td1구간에서는 스위치는 온되고 스위치는 오프상태로 유지된다. 그러므로, 초기에는 기준전압으로부터 전류I가 공급되어 제1 전류원(CS1)과, 캐패시터(C1) 및 제2 전류원(CS2)을 통하여 분류되어 흐르게 된다. 캐패시터가 점점 충전되어 제1 전하량으로 충전되면 반전단자의 전위는 기준전압을 유지하나 비반전단자의 전위는 캐패시턴스의 용량에 비례하여 점차로 하강되어 -Vc로 떨어지게 된다. 제1 스위칭신호(S1)가 로우상태로 되고 제2 스위칭신호(S2)가 하이상태로 된 Td2구간에서는 스위치(SW1)는 오프되고 스위치(SW2)가 온되게 된다. 그러므로, 이제는 반대로 비반전단자(+)의 전위는 기준전압으로 상승되고 반전단자(-)는 Vref +Vc로 상승되므로 캐패시터(C1)에 충전된 전하량은 제1 전류원을 통하여 방전되게 된다. 상기 Td1과 Td2의 구간이 동일하므로 전력검출신호가 동일 크기로 유지되었다면 Td1에서 전력검출신호에 응답한 전류크기와 동일하므로 캐패시터에 충전된 전하량과 방전된 전하량도 동일하게 된다. 그러므로, Td2의 종료직후에 반전단자의 전위는 기준전압과 동일한 전위로 된다. 따라서, 비교기(U1)의 출력은 로우상태를 유지하게 된다. 따라서, 세트신호(S4)에 의해 세트되어 출력을 하이상태로 유지하고 있던 플립플롭(FF1)의 출력은 클럭신호(S3)의 상승엣지에서 비교기(U1)의 출력상태를 래치하게 되므로 그 출력은 로우상태로 나타나게 된다. 즉, Td1과 Td2의 두 기간동안 전력검출신호의 크기가 변하지 않고 그대로 유지되고 있음을 검출할 수 있는 것이다.

만약에 제7도에 도시한 바와 같이, T2에서 Td1의 전력검출신호의 크기 보다도 Td2의 전력검출신호의 크기가 커지는 경우에는 캐패시터(C1)의 양단전압은 '-'로 된다. 즉, 반전단자(-)의 전위가 기준전압 보다도 낮은 레벨로 떨어지게 된다. 그러므로, 비반전단자(+)의 전위는 기준전압으로 유지되고 반전단자(-)의 전위는 기준전압 이하로 감소되므로 비교기(U1)의 출력은 하이상태로 출력되게 된다. 따라서, 플립플롭(FF1)의 출력은 계속해서 하이상태를 유지하게 된다. 다시말하면, 태양전지의 출력전력이 이전 기간 보다도 현재 기간동안에 증가되고 있음을 검출하게 되는 것이다.

반대로, 제7도에 도시한 바와 같이, T3과 Td1의 전력검출신호의 크기 보다도 Td2의 전력검출신호의 크기가 감소되는 경우에는 캐패시터(C1)의 양단전압은 기준전압 보다도 높은 전위상태를 유지하게 된다. 그러므로, 비반전단자(+)의 전위는 기준전압으로 유지되고 반전단자(-)의 전위는 기준전압보다 높은 전위를 유지하게 되므로, 즉 캐패시터(C1)의 양단전압이 '+'를 유지하게 되므로 비교기(U1)의 출력은 로우상태로 출력되게 된다. 따라서, 플립플롭(FF1)은 클럭신호(S3)의 상승엣지에서 비교기의 출력을 래치하게 되므로 그 출력은 로우상태로 나타나게 된다. 다시말하면, 태양전지의 출력전력이 이전 기간 보다도 현재 기간동안에 감소되고 있음을 검출하게 되는 것이다.

플립플롭에서는 상술한 비교기의 출력을 래치하게 된다. 즉, 제7도의 Td2의 종료직후에 클럭신호의 상승엣지에서 비교기의 출력을 래치하여 출력하고 클럭신호의 하강엣지에서 상승되는 세트신호에 의해 항상 전력이 증가되는 방향에서 시작되도록 함으로써 한 주기동안 어더한 요인에 의한 시스템의 오동작을 방지하기 위한 것이다.

이상과 같이 본 발명에서는 일정기간동안 이전의 전력 평균치와 현재의 전력 평균치를 비교하여 항상 일정한 주기로 전력의 최대점을 검출할 수 있어서 일정 시간내의 노이즈나 순간적인 전력변화에 대해 둔감하게 반응되므로 오동작을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 구성은 캐패시터, 비교기, 스위치, 전류원등의 비교적 간단한 아날로그 회로구성으로 최대 전력점의 검출이 가능하므로 회로구성이 간단하고 코스트를 절감시킬 수 있는 잇점이 있다.

Claims (5)

1. 태양전지의 출력전압과 출력전류에 응답하는 전력검출신호를 발생하는 전력검출수단; 샘플링신호를 발생하는 신호발생수단; 및 상기 샘플링신호에 응답하여 이전의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따른 충전된 제1 전하량과 상기 일정 기간과 동일한 현재의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따라 충전된 제2 전하량을 비교하여 현재의 전하량보다 이전의 전하량이 더 크면 상기 태양전지의 출력전력이 감소하는 것으로 판단하고 판단신호를 발생하는 최대 전력점 판단수단을 구비하는 것을 특징으로하는 최대 전력점 검출회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 전력검출수단은 상기 태양전지의 출력전압을 검출하여 전력검출신호를 발생하는 전압검출수단; 상기 태양전지의 출력전류를 검출하여 전류검출신호를 발생하는 전류검출수단; 및 상기 전압검출신호와 전류검출신호를 곱하여 상기 전력검출신호를 발생하는 곱셈기로 구성된 것을 특징으로 하는 최대 전력점 검출회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 신호발생수단의 샘플링신호는 한 주기동안에 하이구간이 로우구간보다 더 긴 제1 스위칭신호와, 상기 제1 스위칭신호의 하이구간만큼 시프팅된 제2 스위칭신호와, 상기 제1및 제2 스위칭신호와 주기는 동일하고 상기 제1및 제2 스위칭신호의 하이구간이 오버랩되는 구간에서 한 주기의 하이구간을 가지는 클럭신호와, 상기 제1및 제2 스위칭신호와 주기는 동일하고 상기 클럭신호의 하강엣지에서 상승엣지를 가지는 세트신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 검출회로.
4. 제3항에 있어서, 상기 최대 전력점 판단수단은 비교기; 상기 비교기의 반전단자와 접지사이에 연결되고 상기 전력검출신호에 응답하여 가변되는 제1 전류원; 상기 비교기의 비반전단자와 접지사이에 연결되고 상기 전력검출신호에 응답하여 가변되고 상기 제1 전류원과 동일한 전류크기를 가지는 제2 전류원; 상기 비교기의 반전단자와 비반전단자 사이에 연결된 캐패시터; 상기 비교기의 반전단자와 기준전압의 사이에 연결되고 상기 제1 스위칭신호의 하이구간에 온되고 로우구간에 오프되는 제1 스위치; 상기 비교기의 비반전단자와 기준전압의 사이에 연결되고 상기 제2 스위칭신호의 하이구간에 온되고 로우구간에 오프되는 제1 스위치; 및 상기 클럭신호에 응답하여 출력을 세트시키는 플립플롭을 구비한 것을 특징으로 하는 최대 전력점 검출회로.
5. 태양전지의 출력전압과 출력전류에 응답하는 전력검출신호를 발생하는 전력검출수단; 이전의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따른 전력평균치와 상기 이전의 일정 기간과 동일한 현재의 일정 기간동안 상기 전력검출신호에 따른 전력평균치를 비교하는 비교수단; 및 상기 현재의 일정 기간 직후에 상기 비교수단의 출력신호를 래치하고 이전의 일정 기간 직전에 출력을 세트시켜서, 이전의 전력평균치보다 현재의 전력평균치가 더 작으면 상기 태양전지의 출력전력이 감소하는 것으로 판단하고 판단신호를 발생하는 판단수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 최대 전력점 검출회로.