下一代光伏優(yōu)化器采用eGaN FET和專用ASIC控制器

低功率商業(yè)和住宅光伏系統(tǒng)主要有兩種配置。第一種配置是微型逆變器，在每個安裝的面板上使用一個逆變器，確保每個面板都能充分發(fā)揮其能源潛力。第二種配置是串聯(lián)逆變器，它將多個面板連接在一起，并接入一個中心逆變器。然而，當(dāng)一個或多個面板被遮擋時(shí)，這種設(shè)置在能量收集方面表現(xiàn)不佳。

為了解決這個問題，出現(xiàn)了一種創(chuàng)新的增強(qiáng)解決方案：優(yōu)化器。這是一種優(yōu)化每個面板能量收集的電力模塊。這些優(yōu)化器的出現(xiàn)是為了與微型逆變器的能量收集能力競爭。微型逆變器的主要缺點(diǎn)是其成本，因?yàn)槊總€電力模塊都需要一個交流轉(zhuǎn)換器。優(yōu)化器可以改善成本結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)顯著簡單，并且與現(xiàn)有的串聯(lián)逆變器兼容。

本文概述了光伏優(yōu)化器的工作原理，以及轉(zhuǎn)換器如何從eGaN FET等新技術(shù)中受益。氮化鎵(GaN)FET在許多硬開關(guān)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。其高可靠性使其成為優(yōu)化器的理想選擇。此外，GaN FET有助于縮小轉(zhuǎn)換器的體積，從而降低成本。

串聯(lián)逆變器能量收集概述

光伏系統(tǒng)的常見配置是串聯(lián)逆變器系統(tǒng)，如圖1所示。在該系統(tǒng)中，來自多個光伏面板的直流輸出串聯(lián)連接，并輸入到一個中央串聯(lián)逆變器中。串聯(lián)逆變器將這些直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電流，接入電網(wǎng)。圖1上方的圖表顯示了基于陰影和均勻太陽輻照度條件下的各個光伏面板的電壓-電流功率特性;

陰影越少，電流越高。下方圖表中的紅色曲線表明了光伏串的可用功率，多個峰值對應(yīng)于每個面板的電流和電壓貢獻(xiàn)。將面板串聯(lián)連接使得所有面板都共享相同的電流，這使得無法同時(shí)在最大功率點(diǎn)上運(yùn)行所有面板，從而無法實(shí)現(xiàn)能量收集的最大化。綠色曲線代表如果每個面板在最大功率點(diǎn)上運(yùn)行，組合光伏面板可以產(chǎn)生的總潛在功率。兩者之間的差異顯著，顯示了需要優(yōu)化器來提高系統(tǒng)級能量收集能力。

優(yōu)化器概述

優(yōu)化器是一個直流電力轉(zhuǎn)換器，插入在光伏面板和中央串聯(lián)逆變器的串聯(lián)連接之間。它有兩個主要功能：1)跟蹤附加光伏面板的最大功率點(diǎn);2)將該功率作為恒定功率源傳遞給串聯(lián)連接。優(yōu)化器最受歡迎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是背靠背降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，如圖2所示。

背靠背降壓-升壓轉(zhuǎn)換器因其能夠在低電壓轉(zhuǎn)換比下以高效率運(yùn)行而受到歡迎。

優(yōu)化器的工作原理是尋找面板的最大功率點(diǎn)，并調(diào)整電壓和電流以匹配逆變器所需的電流。圖3展示了優(yōu)化器在圖1上方圖表中不同功率水平下的輸出特性。黑色虛線表示逆變器所需的電流，它自身維持最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT)。

優(yōu)化器的基本工作模式有三種：1)恒定電流，2)恒定功率，3)恒定電壓。恒定功率模式是優(yōu)化器的正常工作模式，而恒定電壓和恒定電流模式則基于轉(zhuǎn)換器的限制，此時(shí)優(yōu)化器不再從面板中收集最大可用功率。恒定電流模式發(fā)生在串聯(lián)逆變器試圖從優(yōu)化器電路中提取超過其能提供的電流時(shí)，而恒定電壓模式發(fā)生在串聯(lián)逆變器提取的電流過少時(shí)。當(dāng)串聯(lián)逆變器使用其MPPT算法找到優(yōu)化器組合輸出的最大功率時(shí)，系統(tǒng)是優(yōu)化的，遵循圖1下方圖表中的綠色曲線，并且圖3中的黑色虛線與所有面板的恒定功率曲線相交。

演示板概述

EPC9178是一款多功能的四開關(guān)背靠背轉(zhuǎn)換器，能夠在降壓和升壓模式下運(yùn)行，并可配置為光伏優(yōu)化器。其輸入電壓范圍為30 V至60 V，具有三個可選擇的輸出電壓選項(xiàng)：30 V、45 V和60 V。輸入和輸出電流均由控制器限制為15 A，用戶可以啟用或禁用輸出電流限制。EPC9178在所有工作模式下以固定的切換頻率450 kHz運(yùn)行。這種高頻率有助于減少被動元件(如電感器和母線電容器)的體積，從而實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)，如圖4所示。轉(zhuǎn)換器的小體積和輕量化設(shè)計(jì)便于安裝和維護(hù)，促進(jìn)了光伏應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)先功率密度。盡管體積小，EPC9178仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%的峰值效率。

EPC9178高效率和功率密度的關(guān)鍵在于其使用了額定為100 V的EPC2306 GaN晶體管，其導(dǎo)通電阻低至3.8 mΩ。EPC2306以3 x 5 mm的PQFN封裝提供，并基于經(jīng)過驗(yàn)證的可靠eGaN FET技術(shù)。其低導(dǎo)通電阻最小化導(dǎo)通損耗，而低輸出電容(COSS)則實(shí)現(xiàn)了較短的開關(guān)時(shí)間和降低的開關(guān)損耗。這種低導(dǎo)通和開關(guān)損耗的組合提高了整體效率，并簡化了與等效硅MOSFET相比的熱管理。

EPC9178使用德州儀器的LM5177集成電路，將控制器和四個柵驅(qū)動器集成到單個芯片中。這種設(shè)計(jì)使得解決方案簡單、緊湊，元件數(shù)量最少。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

EPC9178根據(jù)典型的光伏面板電壓范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評估。評估了三個輸入電壓：30 V、45 V和60 V，轉(zhuǎn)換器輸出固定電壓30 V。圖5顯示了EPC9178的測量效率和功率損耗，峰值效率達(dá)到98%。對于60 V輸入，施加了熱量和電流限制。

總結(jié)

EPC9178配備高性能、額定為100 V的低RDS(on) EPC2306 GaN FET和德州儀器的LM5177控制器，提供了卓越的效率和緊湊的設(shè)計(jì)。這些特性使其成為對高效率、小尺寸和長壽命有需求的應(yīng)用(如光伏系統(tǒng)中的優(yōu)化器)的理想選擇，實(shí)驗(yàn)單元證明了這一點(diǎn)。