2023 年全球可再生能源發(fā)電量
首次超過全球總發(fā)電量的 30%
創(chuàng)歷史新高
這則消息的背后
是技術(shù)的不斷創(chuàng)新與突破【1】
一直以來,可再生能源利用的一大問題是缺乏彈性,比如對(duì)于光伏而言,只能根據(jù)光照進(jìn)行發(fā)電,而無(wú)法根據(jù)需求而定。不過,隨著儲(chǔ)能技術(shù)的推進(jìn),微型逆變器和串式逆變器正朝向雙向操作技術(shù)方向演進(jìn),且隨時(shí)可以按需智能地融入電網(wǎng)。
一個(gè)重要且可預(yù)見的趨勢(shì)是氮化鎵可作為下一代家庭太陽(yáng)能生產(chǎn)的重要組成部分,提供更高的功率密度,更小的外部無(wú)源元件、從而降低系統(tǒng)成本,增加系統(tǒng)效率,提供智能電網(wǎng)的彈性。
作為氮化鎵供應(yīng)商的先驅(qū)者之一,德州儀器(TI)不僅陸續(xù)推出了高壓和中壓的氮化鎵產(chǎn)品,更是推出了多款參考設(shè)計(jì),以加速光伏市場(chǎng)的創(chuàng)新迭代。
氮化鎵可加速光伏創(chuàng)新
氮化鎵在高壓電源設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用,原因在于 GaN 具有兩大優(yōu)勢(shì):提高功率密度和提升效率。
提高功率密度:GaN 的開關(guān)頻率較高,使設(shè)計(jì)人員能夠使用體積更小的無(wú)源器件(如電感器和電容器),從而縮小電路板的尺寸。
提升效率:相較于硅設(shè)計(jì),GaN出色的開關(guān)和導(dǎo)通損耗性能可將損耗降低大于 50%。除了業(yè)界已經(jīng)采用的高壓 GaN(額定值 >=600V)外,新的中壓 GaN 解決方案(額定值 80V-200V)也日益受到關(guān)注,可在高壓 GaN 之前無(wú)法支持的電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率。
由于氮化鎵相對(duì)比較新,而且頻率高,因此工程師設(shè)計(jì)起來相對(duì)困難,為了降低開發(fā)門檻,TI 的氮化鎵都是通過集成柵極驅(qū)動(dòng)器降低了開發(fā)門檻,另外,高集成度還可以降低額外的組件,以及整體開關(guān)損耗。最后還有一個(gè)容易忽略的優(yōu)勢(shì),由于高集成可以實(shí)現(xiàn)最小化開關(guān)回路從而減少 EMI。
作為高集成氮化鎵產(chǎn)品的代表,TI 推出了多種產(chǎn)品,以在提供高集成度的同時(shí),給客戶帶來靈活性。近期推出的兩顆代表產(chǎn)品分別為集成半橋氮化鎵的 LMG2100R044,以及集成單個(gè)氮化鎵芯片的 LMG3100R017,通過提供不同的功率等級(jí),加強(qiáng)了產(chǎn)品的靈活性。TI 的氮化鎵功率器件集成了包括柵極驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換器和自舉二極管,因此無(wú)需任何外部驅(qū)動(dòng)電路。
另外,這些高集成產(chǎn)品還增加了額外的保護(hù)功能,包括 UVLO 等,以及溫度傳感器,從而確保了集成產(chǎn)品的高可靠性。在散熱方面,最新產(chǎn)品提供了頂部和底部雙重散熱,可以最大限度提高散熱效果。
對(duì)于太陽(yáng)能電池板子系統(tǒng)而言,LMG2100R044 和 LMG3100R017器件有助于將系統(tǒng)尺寸縮小 40%以上。
參考設(shè)計(jì)印證氮化鎵的特性
為了證實(shí) TI 氮化鎵產(chǎn)品在太陽(yáng)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì),TI提供了兩款參考設(shè)計(jì)TIDA-010933 和 TIDA-010938,實(shí)測(cè)結(jié)果表明整體效率最高達(dá) 98%,同時(shí),GAN 可以在高開關(guān)頻率下切換,因此可以使用更小的磁性元件,與等效硅設(shè)計(jì)相比,減少了 40% 的整體電路板尺寸。充分驗(yàn)證了太陽(yáng)能應(yīng)用中使用氮化鎵的優(yōu)勢(shì)。
太陽(yáng)能主要通過太陽(yáng)能電池板的兩種子系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn):一種是升壓級(jí)后跟逆變器級(jí),將直流電壓范圍轉(zhuǎn)換為交流電壓;另一種是降壓和升壓級(jí),其中功率優(yōu)化器可將受到遮擋的太陽(yáng)能電池板的電流在輸出側(cè)升高,不影響整體組串功率(利用最大功率點(diǎn)跟蹤),然后輸送到串式逆變器。
其中TIDA-010933是基于 GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設(shè)計(jì),TIDA-010938則是基于 GaN 的 7.2kW 單相串式逆變器,帶電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)。可以看到,無(wú)論是哪類參考設(shè)計(jì),都提供了儲(chǔ)能的支持。
雙向微型逆變器參考設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的逆變器都是單向的,通常使用反激或推挽式拓?fù)?,成本低但是需要較大的外部分立元件,因此功率密度低,同時(shí)效率也較低。
如今最新的微型逆變器可以具有雙向性,通過結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng),整個(gè)光伏設(shè)備可在用電高峰時(shí)向電網(wǎng)輸送能量,而在用電波谷時(shí)從電網(wǎng)獲取電力為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。這種靈活的調(diào)節(jié)方式需要 DC/DC 級(jí)以及 AC/DC 級(jí)均為雙向功率傳輸,同時(shí)要在增加功能的情況下提高功率密度并降低成本。TIDA-010933 就可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
如圖所示,4 個(gè)具有 400W 的光伏太陽(yáng)能板發(fā)電,光伏板電壓為 30-60Vdc,儲(chǔ)能為 48Vdc,高壓 DC 總線為 400Vdc。
具體的三級(jí)轉(zhuǎn)換器中,電壓分別為230Vac、400Vdc、75Vdc 以及 30-60Vdc。在 75Vdc 至 30Vdc 轉(zhuǎn)換過程中,每個(gè)通道都使用了LMG2100 半橋氮化鎵,而在低壓至高壓直流轉(zhuǎn)換過程中,高壓側(cè)使用了兩個(gè)額定電壓為 650V 的LMG3522 氮化鎵,低壓側(cè)使用了LMG2100 氮化鎵,當(dāng)進(jìn)行右向左的升壓動(dòng)作時(shí), LMG2100 用于諧振,而 LMG3522 作為同步整流器,反過來從左向右工作時(shí),LMG3522 用于諧振,LMG2100 用于同步整流,從而實(shí)現(xiàn)了雙向工作。
在雙向逆變過程中,使用了LMG3522與MOSFET相結(jié)合的圖騰柱拓?fù)浞桨浮?/p>
根據(jù) TI 給出的實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示,整體轉(zhuǎn)換效率超過了 96%,遠(yuǎn)高于目前單相 90% 出頭的微型逆變器。也正因此,整個(gè)參考設(shè)計(jì)包含 ACDC 與 DCDC 功能在內(nèi),僅有 20×20cm,非常緊湊。
通過優(yōu)化架構(gòu),電解電容可以從低壓側(cè)轉(zhuǎn)移到高壓側(cè),這樣避免了低壓直流側(cè)所需的巨大電解電容進(jìn)行濾波。因此,TI 參考設(shè)計(jì)的功率密度就達(dá)到 1kW/L,相比目前單向解決方案提高了 1-2 倍。
組串式逆變器參考設(shè)計(jì)
除了微型逆變器之外,組串式逆變器由于其相較于集中式逆變器,具有更高靈活性,可適用于不同功率場(chǎng)景中,尤其是工商業(yè)系統(tǒng)中,因此正在變得越來越流行。
TIDA-010938是一款7.2kW 單相組串式逆變器參考設(shè)計(jì),尺寸同樣非常小巧,僅為 29×28 cm。和微型逆變器類似,也是構(gòu)建了多級(jí)電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?,此參考設(shè)計(jì)使用了650V 的 LMG3522。另外,為了提高靈活性,逆變級(jí)可以支持包括Heric、全橋單極性調(diào)制以及全橋雙極性調(diào)制在內(nèi)的多種結(jié)構(gòu)。
TI 的這款參考設(shè)計(jì)同樣經(jīng)過了實(shí)測(cè),在寬負(fù)載或?qū)捿斎腚娏鲀?nèi),都可達(dá)到98% 以上的效率。
氮化鎵的無(wú)窮潛力
由于儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,以及對(duì)于電力靈活性的要求越來越高,光伏微型逆變器和組串式逆變器正趨向于雙向化。因此,對(duì)于新一代設(shè)計(jì)而言,TI 的參考設(shè)計(jì)證實(shí)了使用氮化鎵是非常明智的選擇??梢詫?shí)現(xiàn)可靠的雙向拓?fù)?,同時(shí)相比于傳統(tǒng)硅器件,實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本以及更高的功率密度。
同時(shí),TI 的高集成氮化鎵器件可以極大降低系統(tǒng)開發(fā)門檻,通過集成柵極驅(qū)動(dòng)器、過熱和短路保護(hù)等功能,讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單,也讓氮化鎵不再變得神秘。
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原文標(biāo)題:技術(shù)干貨 | 氮化鎵或?qū)⑨尫殴夥夹g(shù)的長(zhǎng)期潛力
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