NEST147 March 2025 AMC1302 , INA181 , TMCS1123 , TMS320F28P550SJ
能源永續(xù)性與安全性的疑慮，正加速對儲能系統(tǒng)的需求，特別是在住宅太陽能裝置中。市面上有整合儲能系統(tǒng)的微型逆變器，功率高達 2kW。系統(tǒng)需要更高功率時，則可採用也連接儲能系統(tǒng)的串列式逆變器或混合串列式逆變器。
圖 1 為混合串列式逆變器的方塊圖。共用的穩(wěn)壓 DC 匯流排將基本區(qū)塊互連。混合串列式逆變器包含以下子塊：
- 用於執(zhí)行最大功率點追蹤的單向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。
- 用於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提供電力。
- DC 轉(zhuǎn) AC 轉(zhuǎn)換器，負責(zé)將 DC 電源轉(zhuǎn)換為 AC 電源，並維持低電流總諧波失真 (THD)。
- 微控制器 (MCU)，用於測量電流和電壓、控制電源開關(guān)、執(zhí)行絕緣監(jiān)測、偵測串列電弧，以及啟用通訊。
- 功率優(yōu)化器，用於最大化光電面板的可用功率，不受日照強度和溫度等外部變數(shù)影響。
圖 1 連接至電網(wǎng)的混合串列式逆變器電路圖IGBT 與 GaN FET 的比較
串列式轉(zhuǎn)換器包含電源開關(guān)，例如絕緣閘極雙極電晶體 (IGBT)。這類供電產(chǎn)品存在尾電流和二極體逆向復(fù)原等問題，會導(dǎo)致高切換損耗。此外，這些現(xiàn)象會受到溫度影響，導(dǎo)致更高的功率損耗，特別是對於靜態(tài)冷卻解決方案而言。因此，這些供電產(chǎn)品需要以低頻率運作，需要體積更大的被動元件和散熱器。通常，切換頻率範(fàn)圍為 5kHz 至 15kHz。
氮化鎵 (GaN) 等寬能隙電源開關(guān)沒有少數(shù)載子現(xiàn)象，因此能降低切換損耗。降低切換損耗可在維持相同系統(tǒng)損耗的情況下提高切換頻率，進而減少被動元件數(shù)量。平均而言，切換頻率將提高六倍。
本文提出 GaN 場效電晶體 (FET) 型 10kW 串列式逆變器。我們也將探討 GaN 的優(yōu)勢，並強調(diào)為住宅太陽能應(yīng)用建置此類系統(tǒng)的優(yōu)點。
GaN 型串列式逆變器的設(shè)計考量
圖 2 介紹了具有電池儲能系統(tǒng)的 10kW、GaN 型單相串列式逆變器參考設(shè)計，包括所有主動和被動元件。
圖 2 以 GaN 裝置為基礎(chǔ)的 10kW 單相參考設(shè)計圖 3 是轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖 3 單相串列式逆變器參考設(shè)計方塊圖此參考設(shè)計包含四個在不同切換頻率下運作的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：
- 兩個升壓轉(zhuǎn)換器，用於實現(xiàn)兩個獨立串列輸入，每個額定功率為 5kW (134kHz)。
- 額定功率為 10kW 的交錯式雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (67kHz)。
- 推向電網(wǎng)、額定功率為 4.6kW 的雙向 DC/AC 轉(zhuǎn)換器 (89kHz)。
供電產(chǎn)品
由於可在頂部冷卻額定電壓為 650V 的 30mΩ LMG3522R030 GaN FET，其熱阻抗低於底部冷卻裝置。這些 FET 具有整合式閘極驅(qū)動器，可降低解決方案成本並縮小設(shè)計尺寸。
MCU
如圖 3 所示，單一 MCU 控制參考設(shè)計。TMS320F28P550SJ 可即時控制四個功率轉(zhuǎn)換級、保護，以及多重控制迴路的實作。可以讓 MCU 參考電源接地 (GND DC–)。由於有整合式閘極驅(qū)動器，也可以直接控制 GaN FET。底側(cè)（Q1A、Q1B、Q2、Q4、Q6、Q7）不需要隔離式閘極驅(qū)動器。
電流感測
系統(tǒng)需要在不同轉(zhuǎn)換器級的不同點進行電流測量。由於 MCU 參考電源接地，升壓轉(zhuǎn)換器會利用 INA181 等分流架構(gòu)解決方案測量負軌上的電流。在交錯式轉(zhuǎn)換器中，您需要使用 AMC1302 等精密電流感測強化型隔離放大器，在不同時間和不同溫度下以高準(zhǔn)確度測量電池中的電流。內(nèi)部 GaN 低壓差穩(wěn)壓器產(chǎn)生的 5V 可為電流感測放大器供電。在逆變器級中，可使用 TMCS1123 等霍爾效應(yīng)電流感測器測量電網(wǎng)電流。其高頻寬與準(zhǔn)確度有助於大幅降低電流 THD。
實驗結(jié)果
我們使用以下系統(tǒng)電壓運作參考設(shè)計：
- 串列輸入電壓：350V。
- 額定電池電壓：160V。
- 電網(wǎng)電壓：230V。
- DC 鏈路電壓：控制在 400V。
我們收集了轉(zhuǎn)換器在不同情境下運作時的以下效率：
圖 4 從光電板輸出向電網(wǎng)轉(zhuǎn)換功率時的效率（350VDC，230VAC）
圖 5 從電池輸出向電網(wǎng)轉(zhuǎn)換功率時的效率（160VDC，230VAC）
圖 6 從光電板向電池轉(zhuǎn)換功率時的效率（350VDC，160VDC）圖表顯示，即使切換速度比標(biāo)準(zhǔn) IGBT 解決方案快六倍，整體效率仍可媲美現(xiàn)今的 IGBT 解決方案。包含內(nèi)務(wù)處理型電源供應(yīng)器時，效率仍接近 98%。所有三張圖都包含兩個功率轉(zhuǎn)換級。
結(jié)論
GaN 有助於實現(xiàn)更高的功率密度，進而減輕最終終端設(shè)備的重量。憑藉接近 98% 的整體系統(tǒng)效率和 2.3kW/L 的功率密度，此串列式逆變器參考設(shè)計展現(xiàn)出絕佳性能。此外，考慮到整體系統(tǒng)成本，實作整合式閘極驅(qū)動器解決方案的可能會降低成本。
其他資源
註冊商標(biāo)
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