Mieszkańcy naszej planety znajdują się w obliczu dwóch wzajemnie przeciwstawnych faktów. Z jednej strony mamy do czynienia z burzliwym rozwojem techniki wymagającej stale rosnących ilości energii, z drugiej strony zapasy nieodnawialnej energii, jak sama nazwa wskazuje, nie powiększają się, a bezustannie kurczą.

Nie dziwią więc nikogo rozpaczliwe poszukiwania nowych źródeł zasilania. Jednym z nich jest Słońce, które na pewno długo jeszcze będzie świeciło. Gwiazda ta dostarcza na Ziemię wręcz olbrzymich ilości energii, problem tylko z jej przetwarzaniem i magazynowaniem. Słonce nie świeci przecież 24 godziny na dobę, a jest potrzebny wszędzie i o każdej porze. Pierwsze kroki zostały już pokonane. Można powiedzieć, że z energii słonecznej częściowo potrafimy już korzystać. Panele słoneczne są dostępne w różnych wielkościach i mocach. Niezależnie od samych ogniw fotowoltaicznych konieczne jest stosowanie odpowiednio skonstruowanych przetwornic, które przekształcą dostarczoną z baterii słonecznej energię do postaci nadającej się do praktycznego wykorzystania.

Rys. 1. Schemat blokowy układu SPV1020

Prace badawcze zmierzające do opracowania scalonych przetwornic DC/DC optymalizowanych do współpracy z bateriami słonecznymi prowadzi wielu producentów, wśród nich jest STMicroelectronics. W ofercie tej firmy znajduje się m.in. układ SPV1020 (schemat blokowy pokazano na rys. 1) pełniący funkcję scalonej przetwornicy podwyższającej o topologii IL-4 (4 phases interleaved topology), pracującej z algorytmem MPPT (Max Power Point Tracking). Algorytm ten zastosowano w celu uzyskania maksymalnej mocy z panela słonecznego. Jego działanie polega na ciągłym kontrolowaniu napięcia i prądu odbieranego z ogniw słonecznych i odpowiednim sterowaniu pracą przetwornicy. Parametry te są monitorowane z wykorzystaniem 10-bitowego przetwornika A/C. W przetwornicy o 4-fazowej topologii, podstawowy
układ składający się z cewki indukcyjnej, układu kluczującego, diody i kondensatora wyjściowego jest potrójnie zwielokrotniony. Ostatecznie uzyskuje się więc 4 obwody przetwarzające, a wbudowany sterownik dba, aby włączanie poszczególnych kluczy następowało z przesunięciem o 1/4 okresu. Wyjścia obwodów są połączone równolegle.

Rys. 2. Budowa 4-fazowej przetwornicy IL4

Rys. 3. Cykl pracy przetwornicy pracującej w konfiguracji IL4

Budowę i cykl pracy takiej przetwornicy przedstawiono na rys. 2 i 3.
W układzie SPV1020 zawarto 8 tranzystorów MOS pełniących funkcję aktywnych przełączników i prostowników synchronicznych, co pozwala znacznie zmniejszyć liczbę elementów zewnętrznych urządzenia końcowego. Przetwornica generuje przebieg PWM o częstotliwości domyślnej 100 kHz, ale możliwa jest jej regulacja w zakresie od 50 do 200 kHz. Uzyskano dużą dokładność ustalania współczynnika wypełnienia, wynoszącą 0,2% w zakresie zmian od 5 do 90%.
Dla układu SPV1020 opracowano płytkę ewaluacyjną STEVAL-ISV004V2 – narzędzie na pewno bardzo przydatne podczas wykonywania projektów systemów zasilania z panelami słonecznymi. Jest to kompletna przetwornica o mocy 100 W. Zestaw ISV004V2 nie zawiera jednak ogniw słonecznych, trzeba je zapewnić we własnym zakresie.

Rys. 4. Przykładowa konfiguracja zestawu ogniw słonecznych

W praktyce mamy najczęściej do czynienia z panelami zawierającymi matrycę odpowiednio połączonych, pojedynczych ogniw słonecznych. Przykładową konfigurację przedstawiono na rys. 4. Diody blokujące zabezpieczają poszczególne zespoły połączonych szeregowo ogniw przed wzajemnymi przepływami prądów, natomiast diody by-pass umożliwiają korzystanie z zespołu diod w przypadku uszkodzenia któregoś z ogniw lub zasłonięcia nad nim źródła światła. Bateria słoneczna musi być tak skonstruowana, aby dostarczała maksymalną moc. Z tego względu przetwornice DC/DC obsługujące jeden panel są najczęściej łączone równolegle, jak to pokazano na rys. 5. W takiej konfiguracji płytka ISV004V2 pełni funkcję jednej z widocznych tu przetwornic DC/DC.

Rys. 5. Wyjścia przetwornic DC/DC w systemach fotowoltaicznych mają często połączone równolegle obwody wyjściowe

Baterie słoneczne wraz z przetwornicami pracują w mało przewidywalnych warunkach. Biorąc pod uwagę wysokie koszty paneli i związanej z nimi elektroniki ważne jest zatem stosowanie zabezpieczeń chroniących całość przed możliwymi usterkami. Układ SPV1020 zapewnia realizację zabezpieczenia przepięciowego, przeciążeniowego i temperaturowego. Wykorzystano je w aplikacji zrealizowanej na płytce ISV004V2. Praca układu SPV1020 przebiega w trzech trybach (stanach) przewidzianych przez producenta. Są one przełączane w zależności od dostarczanego napięcia i stanu poprzedniego. Aby układ mógł zacząć normalną pracę, musi być pokonana blokada UVLO (Under Voltage Lockout) definiowana dwoma napięciami progowymi: 6,5 V – włączającym przetwornicę i 6,0 V wyłączającym. Dopóki nie zostanie przekroczone napięcie włączające przetwornica pozostaje w stanie wyłączenia – OFF. W tym stanie nie są uruchamiane klucze, więc cały prąd z fotoogniwa jest kierowany bezpośrednio do wyjścia. Jeśli napięcie wejściowe przewyższy wartość progową 6,5 V, przetwornica przechodzi łagodnie do stanu Burst. Stan ten trwa do momentu wystartowania wszystkich czterech kluczy z zachowaniem przesunięcia fazowego równego 1/4 okresu przełączania. Klucze są załączane zgodnie z przyjętą sekwencją, przy minimalnym współczynniku wypełnienia sygnału PWM. Przez cały czas jest kontrolowane napięcie wejściowe, i jeśli tylko jest ono wyższe od załączającego napięcia progowego UVLO, procedura jest kontynuowana. Osiągnięcie napięcia wyłączającego powoduje rozpoczęcie procedury wyłączania kluczy, co przebiega w kierunku odwrotnym niż przy załączaniu. W ten sposób uzyskiwany jest łagodny start i zatrzymanie pracy przetwornicy, bez żadnych oscylacji. Przebrnięcie przez stan Burst powoduje przejście do trybu Normal/MPPT, w którym przetwornica działa normalnie realizując algorytm MPPT, co gwarantuje uzyskiwanie maksimum energii odbieranej z baterii słonecznej niezależnie od temperatury i natężenia oświetlenia słonecznego.
Na płytce ISV004V2 zamontowano gniazdo SPI umożliwiające sterowanie układem SPV1020 przez sterownik host. Wykorzystywane do tego są 4 sygnały: XCS (SS), SPI_CLOCK (SCLK), SPI_DATA_IN (MOSI) i SPI_DATA_OUT (MISO). Host może komunikować się z kilkoma układami slave dbając o odpowiednie adresowanie układów, selektywnie wystawiając niski poziom SS tylko dla wybranego slave’a. Jest to jednocześnie sygnał do rozpoczęcia transmisji, która przebiega zgodnie z protokołem przyjętym w interfejsie SPI. Dane są interpretowane jako zakodowane komendy. W wyniku ich interpretacji podejmowane są odpowiednie działania przez układ ISV004V2 lub odsyłana jest odpowiedź na zadane pytanie. Komendami są na przykład: SHUT (przejście układu do stanu shut down), Turn ON (włączenie przetwornicy, czyli wyprowadzenie ze stanu shut down), odczyt aktualnego prądu, odczyt aktualnego napięcia wejściowego, odczyt aktualnego wypełnienia przebiegu PWM, odczyt stanu przetwornicy.