專利名稱:電功率傳輸設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及電功率傳輸設(shè)備。
本發(fā)明特別但不是唯一應(yīng)用于電功率從阻擋層光電池傳輸至電負載或能量存儲器件，且為說明目的對這種應(yīng)用作出介紹。然而，應(yīng)該明白的是本發(fā)明可以應(yīng)用于其他電功率生產(chǎn)的用途，在這些用途中，例如熱電變換器中，顯示出輸出功率和可測量的工作特性之間的可預(yù)測的關(guān)系。
電功率源，例如阻擋層光電池，具有潛在的功率輸出，該功率輸出隨著光電池受的曝光強度而大大改變。此外，對于給定的光強度級(曝曬)這種電池具有功率輸出特性曲線，該曲線是電池或電池陣列的實際輸出功率對加于其上的電負載的電阻的關(guān)系曲線。
阻擋層光電池各自具有相當?shù)偷墓β瘦敵?，且通常以串?lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合電氣連接的電池陣列使用。對本說明書來說，采用一陣列意思是指以任何有用的組合連接的任何數(shù)目的電池。
當負載電阻為無窮大時，電流為零，而為電壓和電流的乘積的功率輸出也為零。在這工作點的電池電壓被稱為開路電壓。當負載電阻下降至零時，流有短路電流而輸出電壓下降至零。因此在這工作點輸出功率也必為零。
對于無窮大和零之間的負載電阻，輸出電壓和輸出電流的乘積給出阻擋層光電池輸出功率的量度。對特定的電池可以劃出電壓、電流和功率輸出作為負載電阻的函數(shù)的曲線。該曲線特性上是一在某負載電阻值上有一最大輸出的光滑曲線?？梢詣澇鲆蛔暹@種曲線，各曲線表示在某曝曬值的電池特性。對各曲線，功率輸出峰值出現(xiàn)在負載電阻的不同值。
在大多數(shù)的應(yīng)用中，例如由陽光照射產(chǎn)生電功率;由于在日間太陽在天空中上升和下降以及由于云層變化的結(jié)果，曝曬連續(xù)地變化。如果加于電池的負載電阻連續(xù)調(diào)節(jié)以保證始終獲得在特定的曝曬值下導(dǎo)致最高輸出功率的負載電阻、電壓和電流值，由在變化曝曬的條件下工作的阻擋層光電池或一電池陣列將獲得一段時間間隔的最高能量輸出。
阻擋層光電池方面的另一問題是產(chǎn)生最大功率的那些電壓，與某些用途例如電池充電或其中是需要固定輸出電壓的操作裝置所需的電壓電平無關(guān)。這問題可通過使用一轉(zhuǎn)換電力變換器來克服。這是一個將有用的輸入功率變換成不同的電壓和電流電平的電子器件。與阻擋層光電池一起使用的普通轉(zhuǎn)換電力變換器不能在任何時間使功率發(fā)送為最大，這是由于這些變換器不能改變它們的操作參數(shù)以保證阻擋層光電池在它們的最大功率點工作。
在已知的電力變換器中，控制是用傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制原理實行的。這種類型的變換器控制器不斷地干擾設(shè)定點和測量在選擇的輸出或輸入?yún)?shù)上的干擾的影響。如果獲得改進，控制器移動設(shè)定點，直到在各方向控制參數(shù)的干擾在選擇的參數(shù)中產(chǎn)生惡化為止。這種控制器在設(shè)計和制造方面是非常復(fù)雜的，而在寬的動態(tài)范圍是有限的準確度，因此不適于控制常用的光電池裝置的功率。
電力變換器設(shè)計方面的另一問題是轉(zhuǎn)換輸入電流耗散熱的轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體，以及這熱量必須從半導(dǎo)體傳導(dǎo)離開，以便維持半導(dǎo)體在可接受的工作溫度。安裝轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體使用著許多方法。然而，大多數(shù)方法需要有效的手工技巧和復(fù)雜的安裝程序。
在常用的變換器設(shè)計中有源的轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體一般與例如“續(xù)流”(freewheeling)二極管的無源轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體相聯(lián)系。在轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和有關(guān)的無源轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體之間的導(dǎo)電路徑的電感必須最小，如果要使變換器可靠地和有效地操作。一般的安裝技術(shù)經(jīng)常導(dǎo)致電感水平較要求的為高。
本發(fā)明目的在于減少上述的缺點和提供可以可靠和有效使用的功率傳輸設(shè)備。本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將從下文可以更加明白。
在考慮上述和其他目的情況下，本發(fā)明在一個方面大致屬于功率傳輸控制設(shè)備，用以控制從阻擋層光電池陣列供應(yīng)至負載的功率，所述控制設(shè)備包括一監(jiān)測器件用以監(jiān)測所述陣列的工作特性;
一可以連接至所述陣列和所述監(jiān)測器件的比較器;以及與所述比較器有關(guān)的調(diào)節(jié)裝置用以調(diào)節(jié)由所述陣列傳輸?shù)墓β省?br>調(diào)節(jié)裝置最好通過控制一轉(zhuǎn)換電力變換器調(diào)節(jié)由光電陣列傳輸?shù)墓β剩斎槐匾獣r雖然也可使用其他的控制裝置，例如控制加于光電陣列的負載電阻。
監(jiān)測器件最好通過測量阻擋層光電池陣列的輸出電壓提供一陣列的開路的指示，而例如通過阻止轉(zhuǎn)變電力變換器的工作來中斷輸出電流或?qū)⑤敵鲭娏鳒p至零。當然，，必要時可以采用例如測量單獨的阻擋層光電池陣列的開路電壓的其他方式，提供阻擋層光電池陣列的開路電壓的指示。
阻擋層光電池陣列輸出電流可以在隨機的間隔中斷短的取樣周期。然而，來自阻擋層光電池陣列的輸出電流最好在一定的間隔一定的取樣周期是設(shè)定至零，且使取樣周期相對于該間隔為短，從而由于中斷功率使輸出能量的損失減至最小。適當?shù)?，電流在十秒的間隔中斷50毫秒的取樣周期，但必要時可以采用取樣周期和取樣間隔的任何組合。但是取樣周期對取樣間隔的比例最好維持在小于百分之一，而其優(yōu)選值為百分之一的一半。
比較器需要連續(xù)地使用阻擋層光電池陣列的開路電壓。適當?shù)?，可以通過任何或模擬型式或數(shù)字型式的已知取樣和保持技術(shù)在取樣周期之間的取樣間隔期間維持開路電壓。然而，阻擋層光電池陣列的開路電壓最好作為電荷存儲在電容器中，電容器由阻擋層光電池陣列通過一阻塞二極管在取樣周期期間被充電至開路基準電壓。當阻擋層光電池陣列的輸出電壓下降而電流從其流出時，阻塞二極管對阻擋層光電池陣列可以使電容器中的電荷損失減至最小。相適應(yīng)地，將電阻器與電容器并聯(lián)放置，從而電容器上存儲的電壓可以隨著時間逐漸地下降以使電容器上存儲的電壓跟隨阻擋層光電池陣列的開路基準電壓降低。
比較器可提供開路電壓和陣列輸出電壓之間的相對值的指示，且可控制調(diào)節(jié)裝置以維持陣列輸出電壓在所需的比值。
調(diào)節(jié)裝置可以操作以調(diào)節(jié)從陣列傳輸?shù)墓β室跃S持陣列的輸出電壓在指示的開路電壓的選擇比值。選擇比值最好維持在一常數(shù)值，該常數(shù)必要時可以在0.75和0.80間的范圍內(nèi)。這個比值已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可提供一個對任何曝曬程度阻擋層光電池陣列的功率輸出接近最大值的條件。
轉(zhuǎn)換電力變換器也可以有其由來自轉(zhuǎn)換電力變換器的輸入端或輸出端的反饋控制的工作特性，從而功率變換設(shè)備的輸出可以受控制，以維持選擇的電壓或電流特性，例如為了在電池已充滿電以后維持一電池浮動電壓電平的恒定輸出電壓。
在另一方面，本發(fā)明屬于從阻擋層光電池至負載傳輸功率的一種方法，包括將來自所述阻擋層光電池陣列的輸出電壓，維持在所述阻擋層光電池陣列的開路電壓的0.75和0.80之間的一電壓上;以及將來自所述阻擋層光電池陣列的所述功率饋送至所述負載。
在又另一方面，本發(fā)明屬于構(gòu)成電子開關(guān)設(shè)備的一種方法，包括將一段中空壓制的鋁合金盒部分用作散熱裝置;
將一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體放置在所述盒部分在下端的一側(cè);
將另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體放置在所述側(cè)的相對表面且靠近所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體;
將所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體通過穿過在所述盒部分上一孔的公共緊固件附加在所述盒部分上，所述緊固件連接所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體，且將所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體夾在所述盒部分上，從而提高了所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述盒部分之間的熱傳輸;
將另外的電子元件安裝在印刷電路板上;
將所述半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體的引線彼此靠近的連接至印刷電路板，從而在所述半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體之間導(dǎo)電路徑中的電感效應(yīng)被減至最小，且從而使所述盒部分的一端靠近所述印刷電路板;
將封裝材料放置在所述盒部分內(nèi)。
為了使對本發(fā)明更易理解和付諸實施，現(xiàn)介紹說明本發(fā)明最佳實施例的附圖，其中圖1是阻擋層光電池陣列的常用電壓-電流特性曲線圖;
圖2是一種功率變換設(shè)備的方框圖;
圖3是另一個功率變換設(shè)備的方框圖;以及圖4是電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的簡圖。
圖1表示在特定溫度下陽光曝曬的不同數(shù)值的一組電壓-電流曲線10、11和12。電壓-電流曲線10、11和12分別在短路電流點14、15和16與電流軸13相交，這些點代表短路電流的數(shù)值，該短路電流在主要的條件下可從阻擋層光電池陣列獲得。電壓-電流曲線10、11和12也與電壓軸17相交，交點分別為開路電壓點18、19和20，而這些點代表開路電壓數(shù)值，該開路電壓在主要的條件下可以從阻擋層光電池陣列獲得。
最大功率點21、22和23是在各自的曲線10、11和12上的各點，在這些點上的電壓和電流的乘積是一最大值。最大功率點的軌跡24是一通過所有電壓-電流曲線的最大功率點的曲線。對于主要條件的一范圍為了達到由阻擋層光電池陣列輸出可能的最大功率，必須改變在阻擋層光電池陣列的負載，使得阻擋層光電池陣列的電流-電壓條件保持在最大功率點的軌跡24上。
從最大功率點21、22和23投影在電壓軸17上，產(chǎn)生最大功率點電壓25、26和27。參閱圖1，對于阻擋層光電池陣列，最大功率點電壓25、26和27用各自的開路電壓18、19和20來除，得出一常數(shù)值0.77。
圖2中所示的功率變換器裝置40，從由阻擋層光電池42組成的阻擋層光電池陣列41得到其功率。阻擋層光電池陣列41的正端43和負端44被連接至轉(zhuǎn)換電力變換器45，而后者依次被連接至負載46。
振蕩器47被連接至轉(zhuǎn)換電力變換器45上的禁止控制功能元件，而在每十秒鐘禁止轉(zhuǎn)換電力變換器45工作50毫秒。二極管51的陽極連接至阻擋層光電池陣列的正端43，其陰極連接至電容器52。電容器52的另一端被連接至阻擋層光電池陣列41的負端44。
上電阻器53和下電阻器54在電容器52的兩端形成一電阻性分壓器，而電阻器53和54之間的接頭被連接至比較器57的一個輸入端。比較器57的另一輸入端被連接至包括正-軌電阻器55和負-軌電阻器56的電阻分壓器的公共連接點。
電阻器53和54與55和56的相對值被配置得使當阻擋層光電池陣列41兩端43和44間的電壓為電容器52兩端電壓的百分之七十七時施加于比較器57的兩輸入端的電壓相等。比較器57的輸出端被連接至調(diào)節(jié)器58，該調(diào)節(jié)器58控制轉(zhuǎn)換電力變換器45。
在使用中，電功率是由阻擋層光電池陣列41產(chǎn)生，且被饋送至轉(zhuǎn)換電力變換器45，該變換器45將有效的功率變換成適合負載46的電阻的電壓和電流。
每十秒鐘，振蕩器47禁止轉(zhuǎn)換電力變換器45工作五十毫秒。在這段時間中，從阻擋層光電池陣列41提取的電流下降為零，而阻擋層光電池陣列41兩端43和44的電壓上升至阻擋層光電池陣列的開路電壓。流經(jīng)二極管51的電流將電容器52充電至接近于阻擋層光電池陣列41的開路電壓的電壓。
當振蕩器47中止禁止轉(zhuǎn)換電源的操作時，兩端43和44上的電壓下降至其負載的數(shù)值，而二極管51使離開電容器52的電流減至最小。端43和44間的電壓和電容器52兩端的電壓的相對值是經(jīng)常地由比較器57進行比較，根據(jù)阻擋層光電池陣列41的工作電壓是小于還是大于按照由電容器52兩端電壓確定的、阻擋層光電池陣列41的開路電壓的百分之七十七，從比較器57輸出端發(fā)信號給調(diào)節(jié)器58以增加或減少由阻擋層光電池陣列41流出的功率。
比較器57比較這些電壓，且控制調(diào)節(jié)器58以使43和44兩端的電壓維持在電容器52兩端電壓的百分之七十七。
電容器52上的電荷通過電阻器53和54逐漸地漏去，使得電容器52兩端的電壓逐漸地下降，以致它隨著阻擋層光電池陣列的開路電壓下降。
如圖3所示，功率變換器裝置60從由阻擋層光電池62組成的光電功率陣列61得到其功率。由阻擋層光電池62組成的單獨的基準陣列63設(shè)置在功率陣列61的附近，使得它經(jīng)受與功率陣列61相同的曝曬和溫度條件。
在這些條件下，基準陣列63的開路電壓將與功率陣列61的開路電壓成正比。功率陣列61的正端64和負端65被連接至轉(zhuǎn)換電力變換器66，后者被依次連接至負載67。
比較器68的一個輸入端連接至包括正-軌電阻器69和負-軌電阻器70的電阻性分壓器的中點。基準陣列63的負端與功率陣列61的負端65共同連接，而基準陣列63的正端被連接至由上電阻器71和下電阻器72組成的電阻性分壓器。電阻器71和72的接頭被連接至比較器68的第二輸入端。
電阻器69和70與71和72的相對值被配置得使在考慮陣列61和63的各自的開路電壓的比例之后當功率陣列61兩端的電壓是基準陣列63兩端的電壓的百分之七十七時，至比較器68的兩輸入端之間的電壓差為零。比較器68的輸出控制調(diào)節(jié)器73，該調(diào)節(jié)器73依次控制轉(zhuǎn)換電力變換器66的工作。
在使用中，電功率是由功率陣列61產(chǎn)生，且被饋送至轉(zhuǎn)換電力變換器66，該變換器66將有效的功率變換成適合負載67的電阻的電壓和電流。
端64和65間的電壓和基準陣列63兩端的電壓的相對值是經(jīng)常地由比較器68進行比較，根據(jù)功率陣列61的工作電壓是小于還是大于按照由基準陣列63的開路電壓確定的、功率陣列61的開路電壓的百分之七十七，從比較器68輸出端發(fā)信號給調(diào)節(jié)器73以增加或減少由功率陣列61流出的功率。
圖4中所示的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備80，包括第一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體81和第二轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體82。第一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體81被安裝在散熱裝置84的內(nèi)表面83上，而第二轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體82被安裝在散熱裝置84的外表面85上，與轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體81相對。
轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體81和82是用云母絕緣材料薄片86來與散熱裝置84電氣絕緣，而通過螺栓87夾住與散熱裝置84接觸，該螺栓87穿過在散熱裝置84上的孔88，且該螺栓87是與散熱裝置84絕緣的。
轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體81和82底座上的連接引線89穿過印刷電路板90上的引線孔，且被焊接到印刷電路板90下側(cè)的導(dǎo)電印刷線上。封裝材料91被放置在由散熱裝置和印刷電路板組成的盒內(nèi)。
當然應(yīng)當認識到當通過本發(fā)明的說明性實例已經(jīng)給出上面的內(nèi)容時，所有這種或其他的修改或變更對本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員是顯而易見的，而這種修改或變更是屬于由所附權(quán)利要求
書所限定的本發(fā)明的廣闊范圍和界線之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用以控制將電功率從阻擋層光電池陣列傳送至負載的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述控制設(shè)備包括一監(jiān)測器件用以監(jiān)測所述阻擋層光電池陣列的工作特性；一可以連接至所述阻擋層光電池陣列和所述監(jiān)測器件的比較器；以及與所述比較器有關(guān)的調(diào)節(jié)裝置用以調(diào)節(jié)由所述阻擋層光電池陣列傳輸?shù)墓β省?br>2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述監(jiān)測器件提供一所述阻擋層光電池陣列的開路電壓的指示，而所述調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)由所述阻擋層光電池陣列傳輸?shù)墓β?，以維持所述阻擋層光電池陣列的輸出電壓在指示的開路電壓的選擇比值。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述比值是維持的常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述比值是在0.75和0.80之間的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)任一上述的權(quán)利要求
所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述監(jiān)測器件包括一獨立于所述阻擋層光電池陣列的阻擋層光電池。
6.根據(jù)任一上述的權(quán)利要求
所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述監(jiān)測器件是一配置以待由所述阻擋層光電池陣列充電的電容器，且配備中斷裝置用以中斷來自阻擋層光電池陣列的電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述中斷裝置中斷所述電流一取樣周期，該取樣周期與連續(xù)的取樣周期之間的間隔相比是短的持續(xù)時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述取樣周期是小于所述間隔的百分之一。
9.根據(jù)任一上述的權(quán)利要求
所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述比較器提供一所述開路電壓和所述阻擋層光電池陣列輸出電壓間相對值的指示，且控制所述調(diào)節(jié)裝置以維持所述阻擋層光電池陣列輸出電壓在所需的比值上。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述電容器通過一二極管被連接至所述阻擋層光電池陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，一電阻器與所述電容器并聯(lián)配置。
12.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的功率變換設(shè)備，其特征在于，所述調(diào)節(jié)裝置的所述工作參數(shù)也由所述功率變換設(shè)備的輸入或輸出參數(shù)的反饋來控制。
13.用以控制將電功率從功率源傳送至負載的功率傳輸控制設(shè)備，其特征在于，所述控制設(shè)備包括一監(jiān)測器件用以監(jiān)測所述功率源的工作特性;一可以連接至所述阻擋層光電池陣列和所述監(jiān)測器件的比較器;以及與所述比較器有關(guān)的調(diào)節(jié)裝置用以調(diào)節(jié)由所述阻擋層光電池陣列傳輸?shù)墓β省?br>14.一種從阻擋層光電池傳輸功率至負載的方法，其特征在于，該方法包括將所述阻擋層光電池陣列的輸出電壓維持在所述阻擋層光電池陣列的0.75和0.80開路電壓間的電壓;以及將所述阻擋層光電池陣列的所述功率饋送至所述負載。
15.一種構(gòu)成電子轉(zhuǎn)換設(shè)備的方法，其特征在于，該方法包括提供一段中空壓制的鋁合金盒部分用作散熱裝置;將一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體放置在所述盒部分在下端的一側(cè);將另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體放置在所述側(cè)的相對表面且靠近所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體;將所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體通過穿過在所述盒部分上一孔的公共緊固件附加在所述盒部分上，所述緊固件連接所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體;將所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體夾在所述盒部分上;將另外的電子元件安裝在印刷電路板上;將所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體的引線彼此靠近的連接至所述印刷電路板，從而在所述轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體和所述另一轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體之間導(dǎo)電路徑中的電感效應(yīng)被減至最小，且從而使盒部分的一端靠近所述印刷電路板;將封裝材料放置在所述盒部分內(nèi)。
16.大體上按照上面參照附圖所敘述的功率傳輸控制設(shè)備。
專利摘要
公開的功率傳輸設(shè)備(40)用以通過轉(zhuǎn)換電力變 換器(45)控制從阻擋層光電池的陣列(41)將電功率 傳輸至電力負載(46)。轉(zhuǎn)換電力變換器是由調(diào)節(jié)器 (58)控制以維持光電陣列(41)的輸出電壓在光電陣 列的開路電壓的固定比值，相適應(yīng)的固定比值是在 0.75和0.8之間，從而由光電陣列傳輸?shù)墓β蔬_到最 大。光電陣列的開路電壓通過在一定的間隔禁止轉(zhuǎn) 換電力變換器的工作短的取樣周期來檢測，以及使電 容器(52)在取樣周期內(nèi)充電至光電陣列的開路電 壓。
文檔編號G05F1/67GK87101231SQ87101231
公開日1988年7月6日 申請日期1987年12月19日
發(fā)明者斯圖爾特·馬克斯韋爾·沃金森 申請人:斯圖爾特·馬克斯韋爾·沃金森導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan