用于集成太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)的 5 種轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/h1>
儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格變得越來(lái)越實(shí)惠，電價(jià)也在上漲，因此對(duì)可再生能源的需求不斷增加。許多住宅現(xiàn)在使用太陽(yáng)能發(fā)電和電池儲(chǔ)能相結(jié)合的系統(tǒng)，確保在太陽(yáng)能無(wú)法滿足需求時(shí)能夠提供能源。圖 1 展示了一個(gè)住宅用例，圖 2 展示了如何將典型的光伏逆變器系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行集成。
圖 1：一種住宅用太陽(yáng)能發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝方案
圖 2：具有儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型光伏逆變器系統(tǒng)
理想情況下，這種類型的系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)交流/直流和直流/直流轉(zhuǎn)換和高功率密度的高效電源管理組件（具有盡可能小的解決方案尺寸），這些組件具有高度可靠性（損耗超低）并有助于將產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。然而，這些要求并非總能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，需要就這些子塊的理想電源轉(zhuǎn)換拓?fù)溥M(jìn)行權(quán)衡。
交流/直流和直流/直流降壓和升壓電源轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)有電源拓?fù)涞墓餐c(diǎn)是具有交錯(cuò)運(yùn)行的半橋或轉(zhuǎn)換器分支，旨在用于提高直流/直流轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)別，或者通過(guò)放置三個(gè)以 120 度相移運(yùn)行的分支在交流/直流逆變器或功率因數(shù)校正級(jí)中實(shí)現(xiàn)三相工作模式。圖 3 所示為五種電源拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖。
圖 3：半橋電源拓?fù)浜偷刃Х种щ娫赐負(fù)?/strong>
拓?fù)?/strong> 1： 在兩級(jí)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)作為補(bǔ)充應(yīng)用于功率器件Q1和Q2（具有時(shí)間延遲，以避免因開關(guān)信號(hào)重疊而發(fā)生擊穿）。對(duì)于輸出端的正正弦波，Q1 應(yīng)用的占空比為 >50%。對(duì)于輸出端的負(fù)正弦波，Q2 的占空比為 >50%。控制輸出功率是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，但線路濾波器之前的輸出信號(hào)具有一個(gè)全總線電壓擺幅，這種情況下需要更大的濾波器來(lái)減少電磁干擾。進(jìn)入濾波器的紋波頻率是 PWM 頻率，會(huì)影響濾波器的大小。
與兩級(jí)轉(zhuǎn)換器相比，三級(jí)拓?fù)湓试S使用更小的無(wú)源器件，并且具有更低的 EMI。共有四種三級(jí)拓?fù)洌?/p>
拓?fù)?/strong> 2：T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因晶體管圍繞中性點(diǎn)（VN）的排列方式而得名。Q1和Q2于直流鏈路連接，而Q3和Q4則與VN串聯(lián)。濾波器看到的紋波頻率等于施加在開關(guān) Q1 至 Q4 上的 PWM 頻率。這決定了需要使用多大的濾波器元件才能在交流線路頻率下實(shí)現(xiàn)所需的低總諧波失真。Q1 和 Q2 會(huì)看到全總線電壓，當(dāng)系統(tǒng)中的直流鏈路電壓為 800V 時(shí)，額定的全總線電壓需要達(dá)到 1,200V。由于Q3和Q4連接到VN，它們只看到全總線電壓的一半，在800-V的直流鏈路電壓系統(tǒng)中，它們的額定電壓為600V，這可以節(jié)省轉(zhuǎn)換器類型的成本。了解10kW 雙向三相三級(jí)（T 型）逆變器和 PFC 參考設(shè)計(jì)。
拓?fù)?/strong> 3： 在有源中性點(diǎn)箝制（ANPC）轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，VN與有源開關(guān)Q5和Q6連接，并將VN設(shè)置在直流鏈路電壓的中間。與 T 型轉(zhuǎn)換器一樣，濾波器看到的紋波頻率等于用來(lái)確定交流線路濾波器尺寸的 PWM 頻率。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是所有開關(guān)的額定電壓都是最大直流鏈路電壓的一半；在 800V 系統(tǒng)中，可以使用額定電壓為 600V 的開關(guān)，因此有助于節(jié)省成本。關(guān)閉此轉(zhuǎn)換器時(shí)，務(wù)必將每個(gè)開關(guān)上的所有電壓限制為直流鏈路電壓的一半。換句話說(shuō)，控制微控制器 (MCU) 需要處理關(guān)斷時(shí)序。TI的TMS320F280049C和C2000TM產(chǎn)品系列中的其他器件具有可配置的邏輯，允許在硬件中實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)邏輯，以卸下MCU的軟件任務(wù)。了解基于 GaN 的 11kW 雙向三相 ANPC 參考設(shè)計(jì)。
拓?fù)?/strong> 4：中性點(diǎn)箝制（NPC）轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)自ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這里的VN通過(guò)二極管D5和D6連接，將VN設(shè)置在直流鏈路電壓中間。 濾波器看到的輸出紋波頻率等于用來(lái)確定交流線路濾波器尺寸的 PWM 頻率。與 ANPC 拓?fù)湟粯?，所有開關(guān)的額定電壓都是最大直流鏈路電壓的一半，但有另外兩個(gè)開關(guān)需改為兩個(gè)快速二極管。與 ANPC 拓?fù)湎啾?，NPC 拓?fù)涞某杀韭杂薪档停鷥r(jià)是效率也略有降低。關(guān)斷時(shí)序的要求也與 ANPC 拓?fù)湎嗤?。從上?ANPC 參考設(shè)計(jì)中很容易推導(dǎo)出 NPC 拓?fù)洹?/p>
拓?fù)?/strong> 5： 飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)告訴你在這個(gè)轉(zhuǎn)換器中發(fā)生了什么；一個(gè)電容器連接到由Q1和Q2以及Q3和Q4實(shí)現(xiàn)的疊加半橋的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。電容器上的電壓限制為直流鏈路電壓的一半，并在 V+/V– 之間周期性漂移；漂移時(shí)會(huì)進(jìn)行電源輸送。這種拓?fù)湓谡也ê拓?fù)正弦波期間使用所有開關(guān)。在這種拓?fù)渲?，濾波器看到的輸出紋波頻率是飛跨電容器每個(gè)周期漂移時(shí)提供的 PWM 頻率的兩倍，因此交流線路濾波器的尺寸更小。同樣，所有開關(guān)的額定電壓都是最大直流鏈路電壓的一半，因此有助于節(jié)省成本。
表 1 列出了不同拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)。
表 1：不同轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)
與傳統(tǒng)的兩級(jí)轉(zhuǎn)換器相比，所有四種三級(jí)拓?fù)湓诠β拭芏龋ň哂斜M可能小的解決方案尺寸）、高度可靠運(yùn)行和快速推向市場(chǎng)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。使用寬帶隙器件和高性能 MCU 以合理的成本進(jìn)一步增強(qiáng)了這些優(yōu)勢(shì)。
2L
在 2L 中采用 TIDA-01606
T 型 3L
TIDA-01606
ANPC
TIDA-010210
NPC 3L
源自 ANPC
FC3L
飛跨電容器 3L
優(yōu)點(diǎn)
簡(jiǎn)單的控制方案
僅 2 個(gè)開關(guān)
2 PWM
簡(jiǎn)單的控制方案
Q3/Q4 see 1/2 VDC
EMI 優(yōu)于 2L
fRIPPLE = fPWM
效率高
所有開關(guān)看到1/2 VDC
EMI 優(yōu)于 2L
成本低于 ANPC
·所有開關(guān)看到1/2 VDC
EMI 優(yōu)于 2L
fRIPPLE = fPWM
4 PWM
最高效率
僅 4 個(gè) HF FET（和 1 個(gè)電容器）
fRIPPLE =2 fPWM
磁性元件最小
EMI 最低
挑戰(zhàn)
·Q1/Q2看到1/2 VDC
EMI 大于 fPWM
無(wú)源器件的尺寸最大
·Q1/Q2看到1/2 VDC
4 PWM
更加復(fù)雜的控制方案
關(guān)斷時(shí)序至關(guān)重要
6 PWM
效率低于 ANPC
更加復(fù)雜的控制方案
關(guān)斷時(shí)序至關(guān)重要
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關(guān)斷時(shí)序至關(guān)重要
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