鑒于對能源可持續性和能源安全的擔憂，當前對儲能系統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 且帶有集成式儲能系統的微型逆變器。當系統需要更高功率時，也可以選用連接了儲能系統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。常見的穩壓直流母線可將各個基本模塊互聯起來。混合串式逆變器包含以下子塊：

用于執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、執行絕緣監測、檢測串拱和啟用通信。

電源優化器，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。

圖 1. 連接到電網的混合串式逆變器的原理圖 

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，這些現象受溫度影響，會導致更高的功率損耗，尤其是在采用靜態散熱解決方案時。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載流子現象，因此能夠減少開關損耗。開關損耗降低后，能夠在保持系統損耗不變的情況下提高開關頻率，從而減少無源元件的數量。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 的優勢，并重點介紹為住宅太陽能應用構建此類系統的優勢。

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 2. 基于 GaN 器件的 10kW 單相參考設計 

圖 3 是該轉換器的原理圖表示。

圖 3. 單相串式逆變器參考設計方框圖

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：

兩個升壓轉換器，用于實現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)。

一個面向電網的雙向 DC/AC 轉換器，額定功率為 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、提供保護并實現多個控制環路。可以讓 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。內部 GaN 低壓降穩壓器生成的 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（見圖 4）。

從電池中獲取電力并輸送至電網（見圖 5）。

從串式輸入中獲取電力并輸送至電池（見圖 6）。

圖 4. 將光伏面板輸出的電力轉換到電網時的效率（350VDC、230VAC）。

圖 5. 將電池輸出的電力轉換到電網時的效率（160VDC、230VAC）

圖 6. 將光伏面板的電力轉換到電池時的效率（350VDC、160VDC）

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% 的整體系統效率和 2.3kW/L 的功率密度，展現出優越的性能。此外，在考慮系統總成本時，實施集成柵極驅動器解決方案可降低成本。

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