隨著對能源可持續(xù)性和能源安全的關(guān)注度不斷提升，儲能系統(tǒng)的需求在住宅太陽能裝置等領(lǐng)域呈現(xiàn)出加速增長的態(tài)勢。在當(dāng)前市場上，存在功率高達(dá) 2kW 且?guī)в屑墒絻δ芟到y(tǒng)的微型逆變器。當(dāng)系統(tǒng)需要更高功率時，連接了儲能系統(tǒng)的串式逆變器或混合串式逆變器成為了更合適的選擇。

一、混合串式逆變器的結(jié)構(gòu)與原理

混合串式逆變器是一種復(fù)雜而高效的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，其方框圖如圖 1 所示。常見的穩(wěn)壓直流母線將各個基本模塊互聯(lián)起來，它主要包含以下幾個關(guān)鍵子塊：

• 單向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器：用于執(zhí)行功率點(diǎn)跟蹤，確保光伏面板在不同光照和溫度條件下都能輸出功率。
• 雙向 DC /DC 轉(zhuǎn)換器：負(fù)責(zé)電池的充電和放電，使得電池能夠在夜間或停電期間為系統(tǒng)供電。
• DC/AC 轉(zhuǎn)換器：將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，并保持低電流總計諧波失真 (THD)，以滿足電網(wǎng)的要求。
• 微控制器 (MCU)：承擔(dān)著測量電流和電壓、控制電源開關(guān)、執(zhí)行絕緣監(jiān)測、檢測串拱以及啟用通信等重要任務(wù)。
• 電源優(yōu)化器：盡可能提高光伏面板的可用功率，減少輻照度和溫度等外部變量對其的影響。
  

  

二、IGBT 與 GaN FET 的性能對比

傳統(tǒng)的串式逆變器通常采用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 作為電源開關(guān)。然而，IGBT 存在尾電流和二極管反向恢復(fù)等問題，這些問題會導(dǎo)致較高的開關(guān)損耗。而且，這些現(xiàn)象受溫度影響較大，在采用靜態(tài)散熱解決方案時，會進(jìn)一步導(dǎo)致更高的功率損耗。因此，IGBT 需要在低頻下運(yùn)行，這就需要體積更大的無源元件和散熱器。其開關(guān)頻率典型范圍為 5kHz 至 15kHz。
相比之下，氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙電源開關(guān)沒有少數(shù)載流子現(xiàn)象，能夠有效減少開關(guān)損耗。在保持系統(tǒng)損耗不變的情況下，使用 GaN 開關(guān)可以顯著提高開關(guān)頻率，從而減少無源元件的數(shù)量，平均而言，開關(guān)頻率可以提高 6 倍。

三、基于 GaN 的串式逆變器的設(shè)計方案

本文提出了一種基于 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 的 10kW 單相串式逆變器設(shè)計方案。該參考設(shè)計包含四個在不同開關(guān)頻率下運(yùn)行的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：

• 兩個升壓轉(zhuǎn)換器：用于實(shí)現(xiàn)兩個獨(dú)立的串式輸入，每個轉(zhuǎn)換器的額定功率為 5kW，開關(guān)頻率為 134kHz。
• 一個交錯式雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器：額定功率為 10kW，開關(guān)頻率為 67kHz。
• 一個面向電網(wǎng)的雙向 DC/AC 轉(zhuǎn)換器：額定功率為 4.6kW，開關(guān)頻率為 89kHz。
  

  

  
  

  

四、關(guān)鍵組件的選擇與應(yīng)用

• 功率器件：采用額定電壓為 650V 的 30mΩ LMG3522R030 GaN FET，這種 FET 能夠在頂部進(jìn)行散熱，熱阻抗比底部散熱器件更小。并且，這些 FET 集成了柵極驅(qū)動器，可降低解決方案成本并縮小設(shè)計尺寸。
• MCU：該參考設(shè)計由單個 TMS320F28P550SJ MCU 控制，它可以對四個功率轉(zhuǎn)換級進(jìn)行實(shí)時控制、提供保護(hù)并實(shí)現(xiàn)多個控制環(huán)路。由于集成了柵極驅(qū)動器，MCU 可以直接控制 GaN FET，底部不需要隔離式柵極驅(qū)動器。
• 電流檢測：系統(tǒng)需要在不同轉(zhuǎn)換器級的不同點(diǎn)進(jìn)行電流測量。在升壓轉(zhuǎn)換器中，使用基于并聯(lián)的解決方案（如負(fù)電源軌上的 INA181）；在交錯式轉(zhuǎn)換器中，使用高精度電流檢測增強(qiáng)型隔離式放大器 AMC1302；在逆變器級中，使用霍爾效應(yīng)電流傳感器（如 TMCS1123），這種傳感器具有高帶寬和高準(zhǔn)確度，有助于顯著降低電流 THD。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能評估

為了驗(yàn)證該設(shè)計的性能，我們使用以下系統(tǒng)電壓運(yùn)行了此參考設(shè)計：串式輸入電壓為 350V，標(biāo)稱電池電壓為 160V，電網(wǎng)電壓為 230V，直流鏈路電壓控制在 400V。我們收集了轉(zhuǎn)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)：效率如圖 4 所示。
• 從電池中獲取電力并輸送至電網(wǎng)：效率如圖 5 所示。
• 從串式輸入中獲取電力并輸送至電池：效率如圖 6 所示。
  

  

  
  

  

  
  

  

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使開關(guān)速度比標(biāo)準(zhǔn) IGBT 解決方案快六倍，整體效率仍然與當(dāng)今的 IGBT 解決方案相當(dāng)。在包含輔助控制電源的情況下，效率依舊保持在 98% 左右。該串式逆變器參考設(shè)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)出了優(yōu)越的性能。此外，在考慮系統(tǒng)總成本時，實(shí)施集成柵極驅(qū)動器解決方案可有效降低成本。綜上所述，基于 TI GaN FET 的 10kW 單相串式逆變器設(shè)計在性能和成本方面都具有顯著的優(yōu)勢，為未來的太陽能儲能系統(tǒng)提供了一種可行的解決方案。