鑒于對能源可持續(xù)性和能源安全的擔憂，當前對儲能系統(tǒng)的需求不斷加速增長，尤其是在住宅太陽能裝置領域。市面上有一些功率高達 2kW 且?guī)в屑墒絻δ芟到y(tǒng)的微型逆變器。當系統(tǒng)需要更高功率時，也可以選用連接了儲能系統(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。
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(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 單相串式逆變器參考設計，包括所有有源和無源元件。
圖 3 是該轉換器的原理圖表示。
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(wǎng)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(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 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(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(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(wǎng)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(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）。
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。
