基于TI GaN FET的10kW單相串式逆變器的設計注意事項
鑒于對能源可持續性和能源安全的擔憂,當前對儲能系統的需求不斷加速增長,尤其是在住宅太陽能裝置領域。市面上有一些功率高達 2kW 且帶有集成式儲能系統的微型逆變器。當系統需要更高功率時,也可以選用連接了儲能系統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。常見的穩壓直流母線可將各個基本模塊互聯起來。混合串式逆變器包含以下子塊:
● 用于執行最大功率點跟蹤的單向 DC/DC 轉換器。
● 用于電池充電和放電的雙向 DC/DC 轉換器。電池可在夜間或停電期間供電。
● DC/AC轉換器,負責將直流轉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、執行絕緣監測、檢測串拱和啟用通信。
● 電源優化器,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。
圖1 連接到電網的混合串式逆變器的原理圖
IGBT與GaN FET的比較
串式逆變器由電源開關組成,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等問題,會導致開關損耗較高。此外,這些現象受溫度影響,會導致更高的功率損耗,尤其是在采用靜態散熱解決方案時。因此,這些功率器件需要在低頻下運行,需要體積更大的無源元件和散熱器。開關頻率典型范圍為 5kHz 至 15kHz。
氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙電源開關沒有少數載流子現象,因此能夠減少開關損耗。開關損耗降低后,能夠在保持系統損耗不變的情況下提高開關頻率,從而減少無源元件的數量。平均而言,開關頻率可以提高 6 倍。
本文提出了一種基于 GaN 場效應晶體管 (FET) 的 10kW 串式逆變器。我們還將探討 GaN 的優勢,并重點介紹為住宅太陽能應用構建此類系統的優勢。
基于GaN的串式逆變器的設計注意事項
圖 2 所示為基于 GaN 且具有電池儲能系統的 10kW 單相串式逆變器參考設計,包括所有有源和無源元件。
圖2 基于GaN器件的10kW單相參考設計
圖3是該轉換器的原理圖表示。
圖3 單相串式逆變器參考設計方框圖
該參考設計包含四個在不同開關頻率下運行的電源轉換系統:
● 兩個升壓轉換器,用于實現兩個獨立的串式輸入,每個轉換器的額定功率為 5kW (134kHz)。
● 一個交錯式雙向 DC/DC 轉換器,額定功率為 10kW (67kHz)。
● 一個面向電網的雙向 DC/AC 轉換器,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 集成了柵極驅動器,可降低解決方案成本并縮小設計尺寸。
MCU
如圖 3 所示,該參考設計由單個 MCU 控制。TMS320F28P550SJ 可對四個功率轉換級進行實時控制、提供保護并實現多個控制環路。可以讓 MCU 將電源地 (GND DC–) 作為參考。由于集成了柵極驅動器,也可以直接控制 GaN FET。底部不需要隔離式柵極驅動器(Q1A、Q1B、Q2、Q4、Q6、Q7)。
電流檢測
系統需要在不同轉換器級的不同點進行電流測量。升壓轉換器使用基于并聯的解決方案(例如負電源軌上的 INA181)來測量電流,因為 MCU 將電源地作為參考。在交錯式轉換器中,您需要使用高精度電流檢測增強型隔離式放大器 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。內部 GaN 低壓降穩壓器生成的 5V 電壓用于為電流檢測放大器供電。在逆變器級中,可以使用霍爾效應電流傳感器(例如 TMCS1123)來測量電網電流。這種傳感器具有高帶寬和高準確度,有助于顯著降低電流 THD。
實驗結果
我們使用以下系統電壓運行了此參考設計:
● 串式輸入電壓:350V。
● 標稱電池電壓:160V。
● 電網電壓:230V。
● 直流鏈路電壓:控制在 400V。
我們收集了轉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(見圖 4)。
● 從電池中獲取電力并輸送至電網(見圖 5)。
● 從串式輸入中獲取電力并輸送至電池(見圖 6)。
圖4 將光伏面板輸出的電力轉換到電網時的效率(350VDC、230VAC)
圖5 將電池輸出的電力轉換到電網時的效率(160VDC、230VAC)
圖6 光伏面板的電力轉換到電池時的效率(350VDC、160VDC)
這些圖表明,即使開關速度比標準 IGBT 解決方案快六倍,整體效率仍然與當今的 IGBT 解決方案相當。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換級。
結語
GaN 有助于實現更高的功率密度,從而減輕終端設備的重量。串式逆變器參考設計具有接近 98% 的整體系統效率和 2.3kW/L 的功率密度,展現出優越的性能。此外,在考慮系統總成本時,實施集成柵極驅動器解決方案可降低成本。
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