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    基于TI GaN FET的10kW單相串式逆變器的設計注意事項

    作者: 時間:2025-07-12 來源:EEPW 收藏

    鑒于對能源可持續(xù)性和能源安全的擔憂,當前對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?guī)в屑墒?a class="contentlabel" href="http://www.ekcard.cn/news/listbylabel/label/儲能系統(tǒng)">儲能系統(tǒng)。當系統(tǒng)需要更高功率時,也可以選用連接了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?;旌洗侥孀兤靼韵伦訅K:

    ●   用于執(zhí)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(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。

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    圖1 連接到電網的混合串式逆變器的原理圖

    IGBT與的比較

    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(xiàn)象受溫度影響,會導致更高的功率損耗,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(shù)載流子現(xiàn)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(tǒng)損耗不變的情況下提高開關頻率,從而減少無源元件的數(shù)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(yōu)勢,并重點介紹為住宅太陽能應用構建此類系統(tǒng)的優(yōu)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(tǒng)的 10kW 參考設計,包括所有有源和無源元件。

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    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。

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    圖3 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(tǒng):

    ●   兩個升壓轉換器,用于實現(xiàn)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 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(xiàn)多個控制環(huán)路??梢宰?MCU 將電源地 (GND DC–) 作為參考。由于集成了柵極驅動器,也可以直接控制 。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(tǒng)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(lián)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(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(tǒng)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)。

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    圖4 將光伏面板輸出的電力轉換到電網時的效率(350VDC、230VAC)

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    圖5 將電池輸出的電力轉換到電網時的效率(160VDC、230VAC)

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    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(xiàn)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(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,實施集成柵極驅動器解決方案可降低成本。


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