鑒于對能源可持續(xù)性和能源安全的擔(dān)憂,當(dāng)前對儲能系統(tǒng)的需求不斷加速增長,尤其是在住宅太陽能裝置領(lǐng)域。市面上有一些功率高達(dá) 2kW 且?guī)в屑墒絻δ芟到y(tǒng)的微型逆變器。當(dāng)系統(tǒng)需要更高功率時,也可以選用連接了儲能系統(tǒng)的串式逆變器或混合串式逆變器。
圖 1 是混合串式逆變器的方框圖。常見的穩(wěn)壓直流母線可將各個基本模塊互聯(lián)起來。混合串式逆變器包含以下子塊:
· 用于執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤的單向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。
· 用于電池充電和放電的雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。電池可在夜間或停電期間供電。
· DC/AC 轉(zhuǎn)換器,負(fù)責(zé)將直流轉(zhuǎn)換為交流電源并保持低電流總計諧波失真 (THD)。
· 微控制器 (MCU),用于測量電流和電壓、控制電源開關(guān)、執(zhí)行絕緣監(jiān)測、檢測串拱和啟用通信。
· 電源優(yōu)化器,用于盡可能提高光伏面板的可用功率,而不受輻照度和溫度等外部變量的影響。
IGBT 與 GaN FET 的比較
串式逆變器由電源開關(guān)組成,例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。這種功率器件存在尾電流和二極管反向恢復(fù)等問題,會導(dǎo)致開關(guān)損耗較高。此外,這些現(xiàn)象受溫度影響,會導(dǎo)致更高的功率損耗,尤其是在采用靜態(tài)散熱解決方案時。因此,這些功率器件需要在低頻下運(yùn)行,需要體積更大的無源元件和散熱器。開關(guān)頻率典型范圍為 5kHz 至 15kHz。
氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙電源開關(guān)沒有少數(shù)載流子現(xiàn)象,因此能夠減少開關(guān)損耗。開關(guān)損耗降低后,能夠在保持系統(tǒng)損耗不變的情況下提高開關(guān)頻率,從而減少無源元件的數(shù)量。平均而言,開關(guān)頻率可以提高 6 倍。
本文提出了一種基于 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 的 10kW 串式逆變器。我們還將探討 GaN 的優(yōu)勢,并重點(diǎn)介紹為住宅太陽能應(yīng)用構(gòu)建此類系統(tǒng)的優(yōu)勢。
基于 GaN 的串式逆變器的設(shè)計注意事項(xiàng)
圖 2 所示為基于 GaN 且具有電池儲能系統(tǒng)的 10kW 單相串式逆變器參考設(shè)計,包括所有有源和無源元件。
圖 3 是該轉(zhuǎn)換器的原理圖表示。
該參考設(shè)計包含四個在不同開關(guān)頻率下運(yùn)行的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng):
· 兩個升壓轉(zhuǎn)換器,用于實(shí)現(xiàn)兩個獨(dú)立的串式輸入,每個轉(zhuǎn)換器的額定功率為 5kW (134kHz)。
· 一個交錯式雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,額定功率為 10kW (67kHz)。
· 一個面向電網(wǎng)的雙向 DC/AC 轉(zhuǎn)換器,額定功率為 4.6kW (89kHz)。
功率器件
由于能夠在頂部為額定電壓為 650V 的 30mΩ LMG3522R030 GaN FET 進(jìn)行散熱,因此熱阻抗比底部散熱器件更小。這些 FET 集成了柵極驅(qū)動器,可降低解決方案成本并縮小設(shè)計尺寸。
MCU
如圖 3 所示,該參考設(shè)計由單個 MCU 控制。TMS320F28P550SJ 可對四個功率轉(zhuǎn)換級進(jìn)行實(shí)時控制、提供保護(hù)并實(shí)現(xiàn)多個控制環(huán)路。可以讓 MCU 將電源地 (GND DC–) 作為參考。由于集成了柵極驅(qū)動器,也可以直接控制 GaN FET。底部不需要隔離式柵極驅(qū)動器(Q1A、Q1B、Q2、Q4、Q6、Q7)。
電流檢測
系統(tǒng)需要在不同轉(zhuǎn)換器級的不同點(diǎn)進(jìn)行電流測量。升壓轉(zhuǎn)換器使用基于并聯(lián)的解決方案(例如負(fù)電源軌上的 INA181)來測量電流,因?yàn)?MCU 將電源地作為參考。在交錯式轉(zhuǎn)換器中,您需要使用高精度電流檢測增強(qiáng)型隔離式放大器 AMC1302 等器件,在不同的時間和溫度條件下以高精確度測量電池中的電流。內(nèi)部 GaN 低壓降穩(wěn)壓器生成的 5V 電壓用于為電流檢測放大器供電。在逆變器級中,可以使用霍爾效應(yīng)電流傳感器(例如 TMCS1123)來測量電網(wǎng)電流。這種傳感器具有高帶寬和高準(zhǔn)確度,有助于顯著降低電流 THD。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們使用以下系統(tǒng)電壓運(yùn)行了此參考設(shè)計:
· 串式輸入電壓:350V。
· 標(biāo)稱電池電壓:160V。
· 電網(wǎng)電壓:230V。
· 直流鏈路電壓:控制在 400V。
我們收集了轉(zhuǎn)換器在不同場景下工作時的效率:
· 從串式輸入中獲取電力并輸送至電網(wǎng)(見圖 4)。
· 從電池中獲取電力并輸送至電網(wǎng)(見圖 5)。
· 從串式輸入中獲取電力并輸送至電池(見圖 6)。
這些圖表明,即使開關(guān)速度比標(biāo)準(zhǔn) IGBT 解決方案快六倍,整體效率仍然與當(dāng)今的 IGBT 解決方案相當(dāng)。包含輔助控制電源時,效率依舊保持在 98% 左右。所有三張圖都包含兩個電源轉(zhuǎn)換級。
結(jié)語
GaN 有助于實(shí)現(xiàn)更高的功率密度,從而減輕終端設(shè)備的重量。串式逆變器參考設(shè)計具有接近 98% 的整體系統(tǒng)效率和 2.3kW/L 的功率密度,展現(xiàn)出優(yōu)越的性能。此外,在考慮系統(tǒng)總成本時,實(shí)施集成柵極驅(qū)動器解決方案可降低成本。