基于TI GaN FET的10kW單相串式逆變器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

鑒于對能源可持續(xù)性和能源安全的擔(dān)憂，當(dāng)前對儲(chǔ)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?a class="contentlabel" href="http://www.2s4d.com/news/listbylabel/label/儲(chǔ)能系統(tǒng)">儲(chǔ)能系統(tǒng)的微型逆變器。當(dāng)系統(tǒng)需要更高功率時(shí)，也可以選用連接了儲(chǔ)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(gè)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(jì)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。

圖1 連接到電網(wǎng)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(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(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗較高。此外，這些現(xiàn)象受溫度影響，會(huì)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(shí)。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(jì)注意事項(xiàng)

圖 2 所示為基于 GaN 且具有電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的 10kW 單相串式逆變器參考設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)

圖3是該轉(zhuǎn)換器的原理圖表示。

圖3 單相串式逆變器參考設(shè)計(jì)方框圖

該參考設(shè)計(jì)包含四個(gè)在不同開關(guān)頻率下運(yùn)行的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：

●   兩個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的串式輸入，每個(gè)轉(zhuǎn)換器的額定功率為 5kW (134kHz)。

●   一個(gè)交錯(cuò)式雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，額定功率為 10kW (67kHz)。

●   一個(gè)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(dòng)器，可降低解決方案成本并縮小設(shè)計(jì)尺寸。

MCU

如圖 3 所示，該參考設(shè)計(jì)由單個(gè) MCU 控制。TMS320F28P550SJ 可對四個(gè)功率轉(zhuǎn)換級進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、提供保護(hù)并實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制環(huán)路?？梢宰?MCU 將電源地 (GND DC–) 作為參考。由于集成了柵極驅(qū)動(dòng)器，也可以直接控制 GaN FET。底部不需要隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(cuò)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(shí)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(jì)：

●   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(shí)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）。

圖4 將光伏面板輸出的電力轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)時(shí)的效率（350VDC、230VAC）

圖5 將電池輸出的電力轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)時(shí)的效率（160VDC、230VAC）

圖6 光伏面板的電力轉(zhuǎn)換到電池時(shí)的效率（350VDC、160VDC）

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(shí)，效率依舊保持在 98% 左右。所有三張圖都包含兩個(gè)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(jì)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(shí)，實(shí)施集成柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案可降低成本。