下一代光伏优化器采用eGaN FET和专用ASIC控制器-电子发烧友网

低功率商业和住宅光伏系统主要有两种配置。第一种配置是微型逆变器，在每个安装的面板上使用一个逆变器，确保每个面板都能充分发挥其能源潜力。第二种配置是串联逆变器，它将多个面板连接在一起，并接入一个中心逆变器。然而，当一个或多个面板被遮挡时，这种设置在能量收集方面表现不佳。

为了解决这个问题，出现了一种创新的增强解决方案：优化器。这是一种优化每个面板能量收集的电力模块。这些优化器的出现是为了与微型逆变器的能量收集能力竞争。微型逆变器的主要缺点是其成本，因为每个电力模块都需要一个交流转换器。优化器可以改善成本结构，因为它们的设计显著简单，并且与现有的串联逆变器兼容。

本文概述了光伏优化器的工作原理，以及转换器如何从eGaN FET等新技术中受益。氮化镓(GaN)FET在许多硬开关应用中表现出优越的性能。其高可靠性使其成为优化器的理想选择。此外，GaN FET有助于缩小转换器的体积，从而降低成本。

串联逆变器能量收集概述

光伏系统的常见配置是串联逆变器系统，如图1所示。在该系统中，来自多个光伏面板的直流输出串联连接，并输入到一个中央串联逆变器中。串联逆变器将这些直流电压转换为交流电流，接入电网。图1上方的图表显示了基于阴影和均匀太阳辐照度条件下的各个光伏面板的电压-电流功率特性;

图1

阴影越少，电流越高。下方图表中的红色曲线表明了光伏串的可用功率，多个峰值对应于每个面板的电流和电压贡献。将面板串联连接使得所有面板都共享相同的电流，这使得无法同时在最大功率点上运行所有面板，从而无法实现能量收集的最大化。绿色曲线代表如果每个面板在最大功率点上运行，组合光伏面板可以产生的总潜在功率。两者之间的差异显著，显示了需要优化器来提高系统级能量收集能力。

优化器概述

优化器是一个直流电力转换器，插入在光伏面板和中央串联逆变器的串联连接之间。它有两个主要功能：1)跟踪附加光伏面板的最大功率点;2)将该功率作为恒定功率源传递给串联连接。优化器最受欢迎的拓扑结构是背靠背降压-升压转换器，如图2所示。

图2

背靠背降压-升压转换器因其能够在低电压转换比下以高效率运行而受到欢迎。

优化器的工作原理是寻找面板的最大功率点，并调整电压和电流以匹配逆变器所需的电流。图3展示了优化器在图1上方图表中不同功率水平下的输出特性。黑色虚线表示逆变器所需的电流，它自身维持最大功率点跟踪器(MPPT)。

图3

优化器的基本工作模式有三种：1)恒定电流，2)恒定功率，3)恒定电压。恒定功率模式是优化器的正常工作模式，而恒定电压和恒定电流模式则基于转换器的限制，此时优化器不再从面板中收集最大可用功率。恒定电流模式发生在串联逆变器试图从优化器电路中提取超过其能提供的电流时，而恒定电压模式发生在串联逆变器提取的电流过少时。当串联逆变器使用其MPPT算法找到优化器组合输出的最大功率时，系统是优化的，遵循图1下方图表中的绿色曲线，并且图3中的黑色虚线与所有面板的恒定功率曲线相交。

演示板概述

EPC9178是一款多功能的四开关背靠背转换器，能够在降压和升压模式下运行，并可配置为光伏优化器。其输入电压范围为30 V至60 V，具有三个可选择的输出电压选项：30 V、45 V和60 V。输入和输出电流均由控制器限制为15 A，用户可以启用或禁用输出电流限制。EPC9178在所有工作模式下以固定的切换频率450 kHz运行。这种高频率有助于减少被动元件(如电感器和母线电容器)的体积，从而实现紧凑设计，如图4所示。转换器的小体积和轻量化设计便于安装和维护，促进了光伏应用的行业领先功率密度。尽管体积小，EPC9178仍可实现高达98%的峰值效率。

图4

EPC9178高效率和功率密度的关键在于其使用了额定为100 V的EPC2306 GaN晶体管，其导通电阻低至3.8 mΩ。EPC2306以3 x 5 mm的PQFN封装提供，并基于经过验证的可靠eGaN FET技术。其低导通电阻最小化导通损耗，而低输出电容(COSS)则实现了较短的开关时间和降低的开关损耗。这种低导通和开关损耗的组合提高了整体效率，并简化了与等效硅MOSFET相比的热管理。

EPC9178使用德州仪器的LM5177集成电路，将控制器和四个栅驱动器集成到单个芯片中。这种设计使得解决方案简单、紧凑，元件数量最少。

实验结果

EPC9178根据典型的光伏面板电压范围进行了实验评估。评估了三个输入电压：30 V、45 V和60 V，转换器输出固定电压30 V。图5显示了EPC9178的测量效率和功率损耗，峰值效率达到98%。对于60 V输入，施加了热量和电流限制。