用于集成太陽能和儲能系統(tǒng)的5種轉換器拓撲

用于集成太陽能和儲能系統(tǒng)的5種轉換器拓撲

儲能系統(tǒng)價格變得越來越實惠，電價也在上漲，因此對可再生能源的需求不斷增加。許多住宅現(xiàn)在使用太陽能發(fā)電和電池儲能相結合的系統(tǒng)，確保在太陽能無法滿足需求時能夠提供能源。圖 1 展示了一個住宅用例，圖 2 展示了如何將典型的光伏逆變器系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)進行集成。

圖 1：一種住宅用太陽能發(fā)電和儲能系統(tǒng)安裝方案

圖 2：具有儲能系統(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)具有可實現(xiàn)交流/直流和直流/直流轉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。然而，這些要求并非總能同時實現(xiàn)，需要就這些子塊的理想電源轉換拓撲進行權衡。

交流/直流和直流/直流降壓和升壓電源轉換器的現(xiàn)有電源拓撲的共同點是具有交錯運行的半橋或轉換器分支，旨在用于提高直流/直流轉換器中的功率級別，或者通過放置三個以 120 度相移運行的分支在交流/直流逆變器或功率因數(shù)校正級中實現(xiàn)三相工作模式。圖 3 所示為五種電源拓撲的簡化原理圖。

圖 3：半橋電源拓撲和等效分支電源拓撲

拓撲 1： 在兩級轉換器拓撲結構中，脈寬調(diào)制（PWM）信號作為補充應用于功率器件Q1和Q2（具有時間延遲，以避免因開關信號重疊而發(fā)生擊穿）。對于輸出端的正正弦波，Q1 應用的占空比為 >50%。對于輸出端的負正弦波，Q2 的占空比為 >50%?？刂戚敵龉β适且粋€簡單的概念，但線路濾波器之前的輸出信號具有一個全總線電壓擺幅，這種情況下需要更大的濾波器來減少電磁干擾。進入濾波器的紋波頻率是 PWM 頻率，會影響濾波器的大小。

與兩級轉換器相比，三級拓撲允許使用更小的無源器件，并且具有更低的 EMI。共有四種三級拓撲：

拓撲 2：T型拓撲結構因晶體管圍繞中性點（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 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現(xiàn)所需的低總諧波失真。Q1 和 Q2 會看到全總線電壓，當系統(tǒng)中的直流鏈路電壓為 800V 時，額定的全總線電壓需要達到 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)省轉換器類型的成本。了解10kW 雙向三相三級（T 型）逆變器和 PFC 參考設計。

拓撲 3： 在有源中性點箝制（ANPC）轉換器拓撲結構中，VN與有源開關Q5和Q6連接，并將VN設置在直流鏈路電壓的中間。與 T 型轉換器一樣，濾波器看到的紋波頻率等于用來確定交流線路濾波器尺寸的 PWM 頻率。這種架構的優(yōu)點是所有開關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，因此有助于節(jié)省成本。關閉此轉換器時，務必將每個開關上的所有電壓限制為直流鏈路電壓的一半。換句話說，控制微控制器 (MCU) 需要處理關斷時序。TI的TMS320F280049C 和C2000TM產(chǎn)品系列中的其他器件具有可配置的邏輯，允許在硬件中實現(xiàn)關機邏輯，以卸下MCU的軟件任務。了解基于 GaN 的 11kW 雙向三相 ANPC 參考設計。

拓撲 4：中性點箝制（NPC）轉換器拓撲結構來自ANPC拓撲結構。這里的VN通過二極管D5和D6連接，將VN設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確定交流線路濾波器尺寸的 PWM 頻率。與 ANPC 拓撲一樣，所有開關的額定電壓都是最大直流鏈路電壓的一半，但有另外兩個開關需改為兩個快速二極管。與 ANPC 拓撲相比，NPC 拓撲的成本略有降低，但代價是效率也略有降低。關斷時序的要求也與 ANPC 拓撲相同。從上述 ANPC 參考設計中很容易推導出 NPC 拓撲。

拓撲 5： 飛跨電容型拓撲結構已經(jīng)告訴你在這個轉換器中發(fā)生了什么；一個電容器連接到由Q1和Q2以及Q3和Q4實現(xiàn)的疊加半橋的開關節(jié)點。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；漂移時會進行電源輸送。這種拓撲在正正弦波和負正弦波期間使用所有開關。在這種拓撲中，濾波器看到的輸出紋波頻率是飛跨電容器每個周期漂移時提供的 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 列出了不同拓撲的優(yōu)點和挑戰(zhàn)。

表 1：不同轉換器拓撲的優(yōu)點和挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)的兩級轉換器相比，所有四種三級拓撲在功率密度（具有盡可能小的解決方案尺寸）、高度可靠運行和快速推向市場方面具有明顯的優(yōu)勢。使用寬帶隙器件和高性能 MCU 以合理的成本進一步增強了這些優(yōu)勢。

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德州儀器 (TI) (納斯達克股票代碼：TXN) 是一家全球性的半導體公司，致力于設計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、通信設備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用，創(chuàng)造一個更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現(xiàn)半導體在電子產(chǎn)品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。