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(gè)安裝的面板上使用一個(gè)逆變器，確保每個(gè)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(gè)面板連接在一起，并接入一個(gè)中心逆變器。然而，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)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(gè)問(wèn)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(gè)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(jìng)爭(zhēng)。微型逆變器的主要缺點(diǎn)是其成本，因?yàn)槊總€(gè)電力模塊都需要一個(gè)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(jiǎn)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(kāi)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(jiàn)配置是串聯(lián)逆變器系統(tǒng)，如圖1所示。在該系統(tǒng)中，來(lái)自多個(gè)光伏面板的直流輸出串聯(lián)連接，并輸入到一個(gè)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(yáng)輻照度條件下的各個(gè)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(gè)峰值對(duì)應(yīng)于每個(gè)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(wú)法同時(shí)在最大功率點(diǎn)上運(yùn)行所有面板，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量收集的最大化。綠色曲線代表如果每個(gè)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(lái)提高系統(tǒng)級(jí)能量收集能力。

優(yōu)化器概述

優(yōu)化器是一個(gè)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(gè)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?gòu)拿姘逯惺占畲罂捎霉β?。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(guò)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(guò)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(kāi)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(gè)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(dòng)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(guò)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(kāi)關(guān)時(shí)間和降低的開(kāi)關(guān)損耗。這種低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗的組合提高了整體效率，并簡(jiǎn)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(gè)柵驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)芯片中。這種設(shè)計(jì)使得解決方案簡(jiǎn)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(píng)估。評(píng)估了三個(gè)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(cè)量效率和功率損耗，峰值效率達(dá)到98%。對(duì)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(duì)高效率、小尺寸和長(zhǎng)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)。