TWI470396B - 功率點追蹤方法與裝置 - Google Patents

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Description

功率點追蹤方法與裝置
本揭露是有關於一種功率點追蹤方法與裝置。
近年能源再生的意識高漲，尤其以熱電材料(Thermoelectric Material,TEM)及能源收集(Energy Harvesting,EH)為熱門的研究主題。例如，基於石油即將耗盡且油價高漲的趨勢，汽車產業紛紛提出提升燃油效率的議題。因內燃機的效率差，約有40%的石油燃燒的能量都轉為廢熱排放出去，所以若使用熱電材料將廢熱回收利用，將可以提升燃油效率達8%。車用熱電產生器的能量型態為低電壓大電流輸出，例如6伏特100安培。
有許多在能源(energy source)具有最大功率點(Maximum Power Point,MPP)特性。例如，圖1繪示熱電(Thermoelectric,TE)能源(熱電材料)的輸出電流與輸出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。於圖1上部之曲線圖中，橫軸表示熱電能源的輸出電壓VTE ，而縱軸表示熱電能源的輸出電流ITE 。於圖1下部之曲線圖中，橫軸表示熱電能源的輸出電壓VTE ，而縱 軸表示熱電能源的輸出功率PTE 。從圖1可以看出，當熱電能源的輸出電流ITE 越大時，其輸出電壓VTE 越小。當熱電能源的輸出電壓VTE 被設定在圖1所示操作電壓VOP 處時，其輸出功率PTE 可以達到最大功率值PMAX (即最大功率點)。
又例如，圖2繪示光伏電池(Photovoltaic,PV)的輸出電流與輸出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。於圖2上部之曲線圖中，橫軸表示光伏電池的輸出電壓VPV ，而縱軸表示光伏電池的輸出電流IPV 。於圖2下部之曲線圖中，橫軸表示光伏電池的輸出電壓VPV ，而縱軸表示光伏電池的輸出功率PPV 。從圖2可以看出，當光伏電池的輸出電流IPV 越大時，其輸出電壓VPV 越小。當光伏電池的輸出電壓VPV 被設定在圖2所示操作電壓VOP 處時，其輸出功率PPV 可以達到最大功率值PMAX (即最大功率點)。
使用具有最大功率點(Maximum Power Point,MPP)特性之能源的過程中，需要對此能源的輸出進行功率點追蹤(power point tracking)，以提升發電效率。
本揭露提供一種功率點追蹤方法與裝置，可以追蹤能源的輸出功率點。
本揭露的功率點追蹤方法包括：依據閘控信號，由轉換器利用其內部的電感器進行電力轉換操作，以將輸入電能轉換為 輸出電能給負載；感測該轉換器的一操作溫度；依據該操作溫度獲得至少一元件特性，以便使用所述至少一元件特性監測電感器的電壓差；依據電感器的電壓差計算特徵值；以及依據特徵值而對應調整閘控信號，以追蹤該輸入電能的功率。
本揭露的功率點追蹤裝置包括轉換器、溫度感測器以及控制器。轉換器依據閘控信號而利用其內部的電感器進行電力轉換操作，以將輸入電能轉換為輸出電能給負載。溫度感測器感測該轉換器的操作溫度。控制器耦接至轉換器以提供該閘控信號，以及耦接至該溫度感測器以獲得該操作溫度，其中控制器依據操作溫度獲得至少一元件特性，以便使用所述至少一元件特性監測該電感器的一電壓差。控制器依據電感器的電壓差計算特徵值，以及依據該特徵值而對應調整該閘控信號，以追蹤該輸入電能的功率。
基於上述，本揭露實施例的功率點追蹤裝置與方法可以藉由監測轉換器內部的電感器的電壓差來追蹤能源的輸出功率點。因此，本揭露實施例的功率點追蹤裝置與方法可以不需使用額外的電流感測器(Current Sensors)便可以追蹤電能的功率。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧能源
20‧‧‧負載
310、330‧‧‧電流感測器
320、410‧‧‧轉換器
340、360‧‧‧介面電路
350、420‧‧‧控制器
430‧‧‧溫度感測器
△IRE ‧‧‧釋能期間的電流變化
△ISE ‧‧‧儲能期間的電流變化
C1‧‧‧電容
D1‧‧‧二極體
EIN ‧‧‧輸入電能
EOUT ‧‧‧輸出電能
GS‧‧‧閘控信號
I0 ‧‧‧起始電流
IL ‧‧‧電感器的電流值
IO ‧‧‧輸出電流
IPV ‧‧‧光伏電池的輸出電流
ITE ‧‧‧熱電能源的輸出電流
L1‧‧‧電感器
M1‧‧‧功率開關
PMAX ‧‧‧最大功率值
PPV ‧‧‧光伏電池的輸出功率
PTE ‧‧‧熱電能源的輸出功率
S510~S540、S1210~S1220‧‧‧步驟
T‧‧‧時間
T0、T1、T2‧‧‧時間的上下界
TP ‧‧‧閘控信號的週期
TRE ‧‧‧釋能期間
TSE ‧‧‧儲能期間
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
VL ‧‧‧電感器的兩端跨壓
VOP ‧‧‧操作電壓
VPV ‧‧‧光伏電池的輸出電壓
VTE ‧‧‧熱電能源的輸出電壓
圖1繪示熱電(Thermoelectric,TE)能源(熱電材料)的輸出電流與輸出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。
圖2繪示光伏電池(Photovoltaic,PV)的輸出電流與輸出電壓之特性曲線，以及輸出電壓與輸出功率之特性曲線。
圖3是說明功率點追蹤裝置的範例電路方塊示意圖。
圖4是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤裝置的電路方塊示意圖。
圖5是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。
圖6是說明電感器的電流特性曲線示意圖。
圖7是說明圖4所示轉換器內部電感器分別操作在不連續電流模式(DCM)與連續電流模式(CCM)下的計算示意圖。
圖8是依照本發明另一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。
圖9為依照本發明實施例說明降壓式轉換器的電路示意圖，以及降壓式轉換器操作於不連續電流模式(DCM)之波形時序示意圖。
圖10為依照本發明另一實施例說明升壓式轉換器的電路示意圖，以及升壓式轉換器操作於不連續電流模式(DCM)之波形時序示意圖。
圖11是說明升壓式轉換器內部元件特性與溫度的關係。
圖12是依照本發明又一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖3是說明功率點追蹤裝置的範例電路方塊示意圖。此功率點追蹤裝置包括電流感測器(Current Sensors)310、轉換器(converter)320、電流感測器330、介面電路340、控制器350與介面電路360。所述轉換器320可以是直流至直流轉換器(DC-DC converter)或是其他功率轉換器。例如，所述轉換器320可以是升壓(Boost)轉換器、降壓(Buck)轉換器、升降壓(Buck-Boost)轉換器、反馳式(Flyback)轉換器、SEPIC轉換器或Cúk轉換器。轉換器320可以依據控制器350的閘控信號GS而利用轉換器320內部電感器進行電力轉換操作，以將能源10所供應的輸入電能轉換為輸出電能給負載20。例如，轉換器320可 以使用輸出電能對電池進行充電。
能源10可以參照圖1或圖2的相關說明。能源10具有最大功率點(Maximum Power Point,MPP)特性。例如，能源10包括光伏電池或熱電能源。控制器350需要透過電流感測器310與介面電路340來監測能源10的輸出電流(即轉換器320的輸入電流)。電流感測器310可以是感測電阻、霍爾元件或是變壓器，以便感測能源10的輸出電流量。介面電路340可以將電流感測器310的感測結果轉換為控制器350所需要的電流資訊。因此，控制器350可以依據能源10的輸出電流資訊來追蹤能源10的最大功率點。
另一方面，控制器350需要透過電流感測器330與介面電路360來監測轉換器320的輸出電流。電流感測器330可以感測轉換器320的輸出電流量。介面電路360可以將電流感測器330的感測結果轉換為控制器350所需要的電流資訊。因此，控制器350可以依據轉換器320的輸出電流資訊來控制對電池(負載20)的充電操作。
由圖3可以知道，為了要感測電流資訊，所以會額外使用電流感測器310與330進行感測。電流感測器310與330會造成電能效率損失以及成本增加。因此，以下將依據本揭露說明無電流感測器之最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking without Current Sensors)之多個實施例。下述諸實施例適合應用於光電、熱電…等能源收集的功率點追蹤。
圖4是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤裝置的電路方塊示意圖。圖4所示功率點追蹤裝置包括轉換器410以及控制器420。轉換器410可以是同步直流至直流轉換器、非同步直流至直流轉換器或是其他功率轉換器。例如，轉換器410可以是升壓(Boost)轉換器、降壓(Buck)轉換器、升降壓(Buck-Boost)轉換器、反馳式(Flyback)轉換器、SEPIC轉換器、Cúk轉換器或其他使用電感器L1進行電力轉換操作的轉換器。
圖5是依照本發明一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。請參照圖4與圖5，於步驟S510中，轉換器410可以依據控制器420的閘控信號GS而利用轉換器410內部的電感器L1進行電力轉換操作，以將能源10所供應的輸入電能EIN 轉換為輸出電能EOUT 給負載20。負載20可為電阻性負載、電容性負載或電感性負載。例如，轉換器410可以使用輸出電能EOUT 對電池進行充電。
控制器420耦接至轉換器410以提供閘控信號GS。控制器420藉由檢測轉換器410的第一電壓V1與第二電壓V2而監測轉換器410內部的電感器L1的電壓差(步驟S520)。第一電壓V1與第二電壓V2可以是轉換器410內部功率路徑中任何兩點的電壓。例如，在其他實施例中，所述第一電壓V1與第二電壓V2可以是轉換器410內部的電感器L1的兩端的電壓。於本實施例中，所述第一電壓V1可以是輸入電能EIN 的電壓，而第二電壓V2可以是輸出電能EOUT 的電壓。
控制器420可以依據電感器L1的電壓差計算出特徵值(步驟S530)，以及依據該特徵值而對應調整閘控信號GS(步驟S540)，以追蹤能源10所提供的輸入電能EIN 的功率。控制器420可以採用脈波寬度調變(Pulse Width Modulator,PWM)方式、脈波跳躍調變(Pulse Skip Modulator,PSM)方式、脈波頻率調變(Pulse Frequency Modulator,PFM)方式、Σ-△調變(Sigma-Delta Modulator,SDM)方式或突發調變(Burst Modulator)方式來調整閘控信號GS。相對地，閘控信號GS可包括PWM信號、PSM信號、PFM信號、SDM信號或突發調變信號。控制器420與轉換器410可操作於不連續電流模式(Discontinue Current Mode,DCM)或連續電流模式(Continue Current Mode,CCM)下。
所述特徵值可以是響應於輸入電能EIN 的電壓、電流或功率的任何數值。例如，在一些實施例中，所述特徵值包括輸入電能EIN 的電流值、輸入電能EIN 的功率值、電感器L1的電流值、輸出電能EOUT 的電流值或輸出電能EOUT 的功率值。所述特徵值可以是轉換器410內部電感器L1的電流值。圖6是說明圖4所示轉換器410內部電感器L1的電流特性曲線示意圖。圖6右部曲線圖中橫軸表示時間T，縱軸表示電感器L1的電流值IL 。依據算式(1)，控制器420可由電感器L1的兩端跨壓VL 、電感器L1的電感值L及時間T計算出電感器L1的電流值IL 。
dI L =(1/L )ʃV L dt 算式(1)
圖7是說明圖4所示轉換器410內部電感器L1分別操作在不連續電流模式(DCM)與連續電流模式(CCM)下的計算示意圖。圖7上部繪示閘控信號GS的波形時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示閘控信號GS的振幅。圖7中部繪示操作在不連續電流模式(DCM)下電感器L1的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L1的電流IL 。在不連續電流模式(DCM)下，控制器420可以先由電感器L1兩端跨壓VL 及電感器L1的儲能期間TSE ，去計算出在儲能期間TSE 中電感器L1的電流變化△ISE 。接下來再計算出釋能期間TRE 。由△ISE 、TSE 、TRE 與閘控信號GS的週期TP 即可計算得到電感器L1的平均電流IAVG 、輸出電流IO 及功率的資訊。電感器L1的平均電流IAVG 、輸出電流IO 及/或功率的資訊可以作為所述特徵值。藉由所述特徵值，控制器420可以進行對輸入電能EIN 的功率點追蹤。
圖7下部繪示操作在連續電流模式(CCM)下電感器L1的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L1的電流IL 。在連續電流模式(CCM)下，控制器420可以先由電感器L1兩端跨壓VL 及電感器L1的儲能期間TSE ，去計算出在儲能期間TSE 中電感器L1的電流變化△ISE 。接下來再由釋能期間TRE 計算出在釋能期間TRE 中電感器L1的電流變化△IRE 即可得到下一個週期 TP 中電感器L1的起始電流I0 。在下一個週期TP 中，即可由△ISE 、△IRE 及I0 計算出電感器L1的平均電流IAVG 或是功率。電感器L1的平均電流IAVG 或是功率的資訊可以作為所述特徵值。藉由所述特徵值，控制器420可以進行對輸入電能EIN 的功率點追蹤。
圖8是依照本發明另一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。圖8所示實施例可以參照圖5的相關說明。於本實施例中，步驟S520包含子步驟S521與S522，而步驟S540包含子步驟S541與S542。請參照圖4與圖8，於步驟S521中，控制器420可以感測能源10所提供的輸入電能EIN 的電壓作為所述第一電壓V1，以及感測轉換器410的輸出電能EOUT 的電壓作為所述第二電壓V2。於步驟S522中，依據輸入電能EIN 的電壓V1與輸出電能EOUT 的電壓V2，控制器420可以計算電感器L1的電壓差。
在步驟S530依照電感器L1的電壓差計算出所述特徵值後，控制器420比較所述特徵值與參考值，以獲得比較結果(步驟S541)。依據該比較結果，控制器420對應調整閘控信號GS的責任週期(步驟S542)。
以下將以降壓式(buck)轉換器作為轉換器410的實施範例。例如，圖9為依照本發明實施例說明降壓式轉換器(轉換器410)的電路示意圖，以及降壓式轉換器(轉換器410)操作於不連續電流模式(DCM)之波形時序示意圖。於圖9所示實施例中，控制器420可以感測能源10所提供的輸入電能EIN 的電壓作為圖 4所示第一電壓V1，以及感測轉換器410的輸出電能EOUT 的電壓作為圖4所示第二電壓V2。
請參照圖4與圖9，功率開關M1受控於閘控信號GS。依據閘控信號GS的責任週期的操作，功率開關M1可以將功率轉換操作分為電感儲能(Store Energy)操作與電感釋能(Release Energy)操作。於儲能期間，功率開關M1為導通，因此輸入電能EIN 的電流可以通過功率開關M1而儲能於電感器L1與電容C1。於釋能期間，功率開關M1為截止，此時電感器L1可以提供電流從二極體D1至電容C1與負載20。
圖9下部繪示閘控信號GS的波形時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示閘控信號GS的振幅。圖9中部繪示操作在不連續電流模式(DCM)下電感器L1的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L1的電流IL 。當電感器L1操作於儲能期間時，控制器420可以計算算式(2)，以計算電感器L1的電壓差VL 。於算式(2)中，VIN 為輸入電能EIN 的電壓值，VM1 為功率開關M1的導通壓降，而VOUT 為輸出電能EOUT 的電壓值。在一些實施例中，所述功率開關M1的導通壓降VM1 可以是定值。在另一些實施例中，所述功率開關M1的導通壓降VM1 可能受溫度影響，因此控制器420可以依據目前操作溫度進行查表而獲得功率開關M1的導通壓降VM1 ，或計算簡易公式而獲得功率開關M1的導通壓降VM1 的近似值。
VL =VIN -VM1 -VOUT 算式(2)
獲得電感器L1的電壓差VL 後，控制器420可以計算算式(1)，而獲得電感器L1的電流值IL ，如算式(3)所示。於算式(3)中，L為電感器L1的電感值，而T1與T0分別為時間的上下界。
獲得電流值dIL 後，控制器420可以計算算式(4)，而獲得電感器L1於儲能期間TSE 的電流值ISE 。於算式(4)中，I0 為電感器L1於時間T0時的電流值。由於轉換器410操作於不連續電流模式(DCM)，因此電感器L1於時間T0時的起始電流值I0 為0。儲能期間TSE 為閘控信號GS的責任週期(即功率開關M1為導通時間)。
至此，在一些實施例中，控制器420可以將所述電流ISE 作為步驟S530的所述特徵值。在另一些實施例中，控制器420可以進一步計算算式(5)，而獲得平均功率PAVG 。於算式(5)中，I AVG 為輸入電能EIN 的平均電流，T SE 為儲能期間的時間長，T P 為轉換器410的操作週期的時間長(由閘控信號GS所定義)。因此，控制器420可以將所述平均功率P AVG 作為步驟S530的所述特徵值。
以下將以升壓式(boost)轉換器作為轉換器410的實施範例。例如，圖10為依照本發明另一實施例說明升壓式轉換器(轉換器410)的電路示意圖，以及升壓式轉換器(轉換器410)操作於不連續電流模式(DCM)之波形時序示意圖。於圖10所示實施例中，控制器420可以感測能源10所提供的輸入電能EIN 的電壓作為圖4所示第一電壓V1，以及感測轉換器410的輸出電能EOUT 的電壓作為圖4所示第二電壓V2。
請參照圖4與圖10，功率開關M1受控於閘控信號GS。依據閘控信號GS的責任週期的操作，功率開關M1可以將功率轉換操作分為電感儲能操作與電感釋能操作。於儲能期間，功率開關M1為導通，因此輸入電能EIN 的電流可以儲能於電感器L1。於釋能期間，功率開關M1為截止，此時電感器L1可以提供電流由二極體D1至電容C1與負載20。
圖10下部繪示閘控信號GS的波形時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示閘控信號GS的振幅。圖10中部繪示操作在不連續電流模式(DCM)下電感器L1的電流波形示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電感器L1的電流IL 。當電感器L1操作於儲能期間時，控制器420可以計算算式(6)，以計算電感器L1的電壓差VL 。於算式(6)中，VIN 為輸入電能EIN 的電壓值，而VM1 為 功率開關M1的導通壓降。在一些實施例中，所述功率開關M1的導通壓降VM1 可以是定值。在另一些實施例中，所述功率開關M1的導通壓降VM1 可能受溫度影響，所以控制器420可以依據目前操作溫度進行查表而獲得功率開關M1的導通壓降VM1 ，或計算簡易公式而獲得功率開關M1的導通壓降VM1 的近似值。
VL =VIN -VM1 算式(6)
獲得電感器L1在儲能期間TSE 的電壓差VL 後，控制器420可以計算算式(1)，而獲得電感器L1的電流值IL ，如算式(7)所示。於算式(7)中，L為電感器L1的電感值，而T1與T0分別為時間(儲能期間)的上下界。
獲得電流值dIL 後，控制器420可以計算算式(8)，而獲得電感器L1於儲能期間TSE 的電流值ISE 。於算式(8)中，I0 為電感器L1於時間T0時的電流值。由於轉換器410操作於不連續電流模式(DCM)，因此電感器L1於時間T0時的起始電流值I0 為0。儲能期間TSE 為閘控信號GS的責任週期(即功率開關M1為導通時間)。
當電感器L1操作於釋能期間T RE 時，控制器420可以計算算式(9)，以計算電感器L1於釋能期間T RE 的電壓差VL 。於算式(9)中，VOUT 為輸出電能VOUT 的電壓，VD1 為二極體D1的順向壓降，而VIN 為輸入電能EIN 的電壓值。在一些實施例中，所述二極體D1的順向壓降VD1 可以是定值。在另一些實施例中，所述二極體D1的順向壓降VD1 可能受溫度影響，所以控制器420可以依據目前操作溫度進行查表而獲得二極體D1的順向壓降VD1 ，或計算簡易公式而獲得獲得二極體D1的順向壓降VD1 的近似值。
VL =VOUT +VD1 -VIN 算式(9)
獲得電感器L1於釋能期間T RE 的電壓差VL 後，控制器420可以計算算式(1)，而獲得電感器L1於釋能期間T RE 的電流值dIL ’與釋能期間T RE ，如算式(10)所示。於算式(10)中，T1與T2分別為時間(釋能期間T RE )的上下界。
至此，控制器420可以進一步計算算式(11)，而獲得平均功率PAVG 。於算式(11)中，I AVG 為輸入電能EIN 的平均電流，T SE 為電感器L1的儲能期間的時間長，T RE 為電感器L1的釋能期間的 時間長，而T P 為轉換器410的操作週期的時間長(由閘控信號GS所定義)。因此，控制器420可以將所述平均功率P AVG 作為步驟S530的所述特徵值。
轉換器410的所有元件都對溫度敏感。以升壓式(boost)轉換器作為轉換器410的實施範例，圖11是說明升壓式轉換器內部元件特性與溫度的關係。升壓式轉換器的電感器L1的額定電流Irate 會隨著溫度上升減小，功率開關M1會隨著溫度上升而導通阻抗RDS 變高，二極體D1會隨著溫度上升而導通電壓VD 下降，所以溫度效應會影響到轉換器410運作時的工作條件。因此，圖4所示功率點追蹤裝置可以選擇性配置溫度感測器430。溫度感測器430耦接至控制器420。溫度感測器430可以感測轉換器410的操作溫度，並將感測結果提供給控制器420。
圖12是依照本發明又一實施例說明一種功率點追蹤方法的流程示意圖。圖12所示實施例可以參照圖5的相關說明。請參照圖4與圖12，在完成步驟S510後，控制器420可以進行步驟S1210，以便藉由溫度感測器430感測轉換器410的操作溫度。控制器420在步驟S1220中可以依據轉換器410的操作溫度而獲得轉換器410的至少一元件特性。控制器420在步驟S1220中亦可檢測檢測轉換器410的第一電壓V1與第二電壓V2。使用所述至 少一元件特性、所述第一電壓V1與所述第二電壓V2，控制器420在步驟S1220中可以監測轉換器410內部的電感器L1的電壓差VL 。
例如，控制器420可以在步驟S1220中使用溫度，藉由公式計算或是查表(Lookup table)方式，來決定/修正電感器L1兩端跨壓VL ，或決定/修正功率開關M1的導通壓降VM1 ，或決定/修正二極體D1的順向壓降VD1 ，或決定/修正轉換器410的其他元件的特性。控制器420可以在步驟S1220中使用所述至少一元件特性、輸入電能EIN 的電壓VIN 、輸出電能EOUT 的電壓VOUT 而監測轉換器410內部的電感器L1的電壓差VL 。
以前述算式(2)為例，控制器420可以在步驟S1220中依據溫度感測器430所感測到的操作溫度進行查表(或藉由公式計算)，以獲得算式(2)中功率開關M1的導通壓降VM1 (元件特性)。藉由使用功率開關M1的導通壓降VM1 、輸入電能EIN 的電壓VIN 與輸出電能EOUT 的電壓VOUT ，控制器420在步驟S1220中可以計算算式(2)而獲得電感器L1的電壓差VL 。
以前述算式(6)為例，控制器420可以在步驟S1220中依據溫度感測器430所感測到的操作溫度進行查表(或藉由公式計算)，以獲得算式(6)中功率開關M1的導通壓降VM1 (元件特性)。藉由使用功率開關M1的導通壓降VM1 與輸入電能EIN 的電壓VIN ，控制器420在步驟S1220中可以計算算式(6)而獲得電感器L1的電壓差VL 。
再以前述算式(9)為例，控制器420可以在步驟S1220中依據溫度感測器430所感測到的操作溫度進行查表(或藉由公式計算)，以獲得算式(9)中二極體D1的順向壓降VD1 (元件特性)。藉由使用二極體D1的順向壓降VD1 、輸入電能EIN 的電壓VIN 與輸出電能EOUT 的電壓VOUT ，控制器420在步驟S1220中可以計算算式(9)而獲得電感器L1的電壓差VL 。
控制器420在步驟S530中可以依據電感器L1的電壓差VL 計算出特徵值。例如，控制器420可以在步驟S530中由閘控信號GS的責任週期計算平均電流IAVG ，再透過平均電流IAVG 與輸入電能EIN 的電壓或輸出電能EOUT 計算成目前操作功率POP ，作為特徵值。
以前述算式(3)為例，控制器420可以在步驟S530中依據電感器L1的電壓差VL 計算出電流值dIL ，進而獲得特徵值。所述特徵值可以是前述算式(2)所示電感器L1的電壓差VL ，或是前述算式(3)所示電感器L1的電流值IL ，或是前述算式(4)所示電感器L1於儲能期間TSE 的電流值ISE ，或是前述算式(5)所示平均功率PAVG ，因為這些物理量都可以響應輸入電能EIN 的狀態。
以前述算式(7)為例，控制器420可以在步驟S530中依據電感器L1的電壓差VL 計算出電流值dIL ，進而獲得特徵值。所述特徵值可以是前述算式(6)所示電感器L1於儲能期間TSE 的電壓差VL ，或是前述算式(7)所示電感器L1於儲能期間TSE 的的電流值IL ，或是前述算式(8)所示電感器L1於儲能期間TSE 的電流值ISE ， 因為這些物理量都可以響應輸入電能EIN 的狀態。
再以前述算式(10)為例，控制器420可以在步驟S530中依據電感器L1的電壓差VL 計算出電流值dIL ’，進而獲得特徵值。所述特徵值也可以是前述算式(9)所示電感器L1操作於釋能期間T RE 的電壓差VL ，或是前述算式(10)所示電感器L1於釋能期間T RE 的電流值IL ，或是算式(11)所示平均功率PAVG ，因為這些物理量都可以響應輸入電能EIN 的狀態。
在步驟S530後，控制器420可以進行步驟S540，以便控制器420利用特徵值(例如目前操作功率POP 的數值或其他數值)判斷輸入電能EIN 是否操作在最大功率點上。若輸入電能EIN 未操作在最大功率點上，則對應調整閘控信號GS的責任週期。重複上述步驟，直到輸入電能EIN 操作在最大功率點。因此，控制器420可以利用轉換器410輸入電壓VIN 與輸出電壓VOUT 及溫度感測器430所感測到之溫度，運算產生對應的閘控信號GS去控制轉換器410的開關，以執行最大功率點追蹤操作。
綜上所述，本揭露實施例的功率點追蹤裝置與方法可以藉由監測轉換器410內部的電感器L1的電壓差來追蹤能源10的輸出功率點。因此，本揭露實施例的功率點追蹤裝置與方法可以不需使用額外的電流感測器(Current Sensors)便可以追蹤電能10的功率點。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S510~S540、S1210~S1220‧‧‧步驟

Claims (40)

  1. 一種功率點追蹤方法，包括：依據一閘控信號，由一轉換器利用該轉換器內部的一電感器進行一電力轉換操作，以將一能源所供應的一輸入電能轉換為一輸出電能給一負載；感測該轉換器的一操作溫度；依據該操作溫度獲得至少一元件特性，以便使用所述至少一元件特性監測該電感器的一電壓差；依據該電感器的該電壓差，計算一特徵值；以及依據該特徵值而對應調整該閘控信號，以追蹤該能源的該輸入電能的功率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中該閘控信號包括脈波寬度調變信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中所述調整該閘控信號包括採用一脈波寬度調變方式、一脈波跳躍調變方式、一脈波頻率調變方式、一Σ-△調變方式或一突發調變方式來調整該閘控信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中該轉換器包括一直流至直流轉換器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的功率點追蹤方法，其中該元件特性包括該直流至直流轉換器內部一功率開關的導通壓降，或該直流至直流轉換器內部一二極體的順向壓降。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中該轉換器包括一升壓轉換器、一降壓轉換器、一升降壓轉換器、一反馳式轉換器、一SEPIC轉換器或一Cúk轉換器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中該能源包括一光伏電池或一熱電能源。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中所述監測該電感器的一電壓差包括：感測該能源的該輸入電能的電壓；感測該轉換器的該輸出電能的電壓；以及依據該輸入電能的電壓與該輸出電能的電壓，計算該電感器的該電壓差。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算該電感器的一電壓差包括：當該轉換器為降壓轉換器，且該電感器操作於一儲能期間時，計算VL =VIN -VM1 -VOUT ，其中VL 為該電感器的該電壓差，VIN 為該輸入電能的電壓，VM1 為該轉換器內部的一功率開關的一導通壓降，而VOUT 為該輸出電能的電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算該電感器的一電壓差更包括：依據該操作溫度查表或計算該功率開關的該導通壓降VM1 。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算該電感器的一電壓差包括： 當該轉換器為升壓轉換器，且該電感器操作於一儲能期間時，計算VL =VIN -VM1 ，其中VL 為該電感器的該電壓差，VIN 為該輸入電能的電壓，而VM1 為該轉換器內部的一功率開關的一導通壓降。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算該電感器的一電壓差更包括：依據該操作溫度查表或計算該功率開關的該導通壓降VM1 。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算該電感器的一電壓差包括：當該轉換器為升壓轉換器，且該電感器操作於一釋能期間時，計算VL =VOUT +VD1 -VIN ，其中VL 為該電感器的該電壓差，VOUT 為該輸出電能的電壓，VD1 為該轉換器內部的一二極體的一順向壓降，而VIN 為該輸入電能的電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算該電感器的一電壓差更包括：依據該操作溫度查表或計算該二極體的該順向壓降VD1 。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中所述特徵值包括該輸入電能的電流值、該輸入電能的功率值、該電感器的電流值、該輸出電能的電流值或該輸出電能的功率值。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算一特徵值包括： 計算，其中IL 為該電感器的電流，L為該電感器的電感值，T1與T0分別為時間的上下界，而VL 為該電感器的該電壓差；以及計算ISE =I0 +dIL ，其中ISE 為該電感器於一儲能期間的電流，而I0 為該電感器於時間T0時的電流值。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的功率點追蹤方法，其中所述特徵值包括電流ISE 。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算一特徵值更包括：計算平均功率，其中V IN 為該輸入電能的電壓，I AVG 為該輸入電能的平均電流，T SE 為該儲能期間的時間長，T P 為該轉換器的一操作週期的時間長，而所述特徵值包括平均功率P AVG 。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的功率點追蹤方法，其中所述計算一特徵值更包括：計算平均功率，其中V IN 為該輸入電能的電壓，I AVG 為該輸入電能的平均電流，T SE 為該儲能期間的時間長，T RE 為該電感器的一釋能期間的時間長，T P 為該轉換器的一操作週期的時間長，而所述特徵值包括平均功率P AVG 。
  20. 如申請專利範圍第1項所述的功率點追蹤方法，其中所 述依據該特徵值而對應調整該閘控信號更包括：比較所述特徵值與一參考值，以獲得一比較結果；以及依據該比較結果，調整該閘控信號的責任週期。
  21. 一種功率點追蹤裝置，包括：一轉換器，依據一閘控信號利用該轉換器內部的一電感器進行一電力轉換操作，以將一能源所供應的一輸入電能轉換為一輸出電能給一負載；一溫度感測器，感測該轉換器的一操作溫度：以及一控制器，耦接至該轉換器以提供該閘控信號，以及耦接至該溫度感測器以獲得該操作溫度，其中該控制器依據該操作溫度獲得至少一元件特性，以便使用所述至少一元件特性監測該電感器的一電壓差，以及該控制器依據該電感器的該電壓差計算一特徵值，以及依據該特徵值而對應調整該閘控信號，以追蹤該能源的該輸入電能的功率。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該閘控信號包括脈波寬度調變信號。
  23. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器採用一脈波寬度調變方式、一脈波跳躍調變方式、一脈波頻率調變方式、一Σ-△調變方式或一突發調變方式來調整該閘控信號。
  24. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該轉換器包括一直流至直流轉換器。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的功率點追蹤裝置，其中該元件特性包括該直流至直流轉換器內部一功率開關的導通壓降，或該直流至直流轉換器內部一二極體的順向壓降。
  26. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該轉換器包括一升壓轉換器、一降壓轉換器、一升降壓轉換器、一反馳式轉換器、一SEPIC轉換器或一Cúk轉換器。
  27. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該能源包括一光伏電池或一熱電能源。
  28. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器感測該能源的該輸入電能的電壓，以及感測該轉換器的該輸出電能的電壓；以及依據該輸入電能的電壓與該輸出電能的電壓，該控制器計算該電感器的該電壓差。
  29. 如申請專利範圍第28項所述的功率點追蹤裝置，其中當該轉換器為降壓轉換器，且該電感器操作於一儲能期間時，該控制器計算VL =VIN -VM1 -VOUT ，其中VL 為該電感器的該電壓差，VIN 為該輸入電能的電壓，VM1 為該轉換器內部的一功率開關的一導通壓降，而VOUT 為該輸出電能的電壓。
  30. 如申請專利範圍第29項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器依據該操作溫度查表或計算該功率開關的該導通壓降VM1 。
  31. 如申請專利範圍第28項所述的功率點追蹤裝置，其中當該轉換器為升壓轉換器，且該電感器操作於一儲能期間時，該控制器計算VL =VIN -VM1 ，其中VL 為該電感器的該電壓差，VIN 為該 輸入電能的電壓，而VM1 為該轉換器內部的一功率開關的一導通壓降。
  32. 如申請專利範圍第31項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器依據該操作溫度查表或計算該功率開關的該導通壓降VM1 。
  33. 如申請專利範圍第28項所述的功率點追蹤裝置，其中當該轉換器為升壓轉換器，且該電感器操作於一釋能期間時，該控制器計算VL =VOUT +VD1 -VIN ，其中VL 為該電感器的該電壓差，VOUT 為該輸出電能的電壓，VD1 為該轉換器內部的一二極體的一順向壓降，而VIN 為該輸入電能的電壓。
  34. 如申請專利範圍第33項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器依據該操作溫度查表或計算該二極體的該順向壓降VD1 。
  35. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中所述特徵值包括該輸入電能的電流值、該輸入電能的功率值、該電感器的電流值、該輸出電能的電流值或該輸出電能的功率值。
  36. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器計算，其中IL 為該電感器的電流，L為該電感器的電感值，T1與T0分別為時間的上下界，而VL 為該電感器的該電壓差；以及該控制器計算ISE =I0 +dIL ，其中ISE 為該電感器於一儲能期間的電流，而I0 為該電感器於時間T0時的電流值。
  37. 如申請專利範圍第36項所述的功率點追蹤裝置，其中所 述特徵值包括電流ISE 。
  38. 如申請專利範圍第36項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器計算平均功率，其中V IN 為該輸入電能的電壓，I AVG 為該輸入電能的平均電流，T SE 為該儲能期間的時間長，T P 為該轉換器的一操作週期的時間長，而所述特徵值包括平均功率P AVG 。
  39. 如申請專利範圍第36項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器計算平均功率，其中V IN 為該輸入電能的電壓，I AVG 為該輸入電能的平均電流，T SE 為該儲能期間的時間長，T RE 為該電感器的一釋能期間的時間長，T P 為該轉換器的一操作週期的時間長，而所述特徵值包括平均功率P AVG 。
  40. 如申請專利範圍第21項所述的功率點追蹤裝置，其中該控制器比較所述特徵值與一參考值，以獲得一比較結果；以及依據該比較結果，該控制器對應調整該閘控信號的責任週期。
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