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适用於整合太阳能和储能系统的转换器拓扑结构
[作者 德州儀器]   2023年12月27日 星期三 浏览人次: [2192]

现在许多住宅使用的是组合太阳能发电和电池储能系统,这种类型的系统具有用於AC/DC和DC/DC转换的高效电源管理元件和高功率密度,具备极高的可靠性及最低损耗,但这些需要在子区块的电源转换拓扑上取舍,才能够实现效能,本文说明不同转换器拓扑结构的优点和挑战。


随着储能系统价格变得更实惠,加上电价不断上涨,消费者对再生能源的需求日益增加。许多住宅现在使用的是组合太阳能发电和电池储能系统,以便在太阳能不足以支援需求时提供能源。图一说明住宅的应用实例,图二是显示典型的太阳能逆变器系统如何与储能系统整合。



图一 : 住宅太阳能发电和储能系统安装
图一 : 住宅太阳能发电和储能系统安装

图二 : 附储能系统的典型太阳能逆变器系统
图二 : 附储能系统的典型太阳能逆变器系统

在最隹的情况下,这种类型的系统具有用於AC/DC和DC/DC转换的高效电源管理元件和高功率密度(具有最小的解决方案尺寸),不仅具备极高的可靠性和最低损耗,同时也能够加快上市时间。然而,这些需求并非都可以同时实现,需要在这些子区块的最隹化电源转换拓扑上有所取舍。


AC/DC和DC/DC降压和升压电源转换器的现有电源拓扑的共同点是交错执行半桥或转换器分支,以提高DC/DC转换器功率位准,或是藉由放置三个以120度相移执行的分支来实现三相运作AC/DC逆变器或功率因数校正级。图三显示五种电源拓扑的简化原理图。



图三 : 半桥和分支等效的电源拓扑
图三 : 半桥和分支等效的电源拓扑

【拓扑 1】二级转换器拓扑

在二级转换器拓扑中,脉冲宽度调变(PWM)讯号互补(具有死区延迟以避免因切换讯号重叠而造成直通) 到电源装置Q1和Q2。对於输出端的正弦波,在Q1处应用的工作周期>50%。对於输出端的负正弦波,Q2具有 >50%的工作周期。控制输出功率是一个简单的概念,但线路滤波器之前的输出讯号具有完整的汇流排电压摆幅,需要更大的滤波器来减少电磁干扰。进入滤波器的涟波频率即是PWM频率,会影响滤波器的大小。


三阶拓扑允许使用较小的被动元件,并且与二阶转换器相比具有更低的EMI。有四个三阶拓扑:


【拓扑 2】T 型拓扑

T 型拓扑以电晶体围绕中性点排列的方式命名(VN)。Q1和Q2在DC链路之间连结,而Q3和Q4与VN串联。滤波器看到的涟波频率等於应用於开关Q1至Q4的PWM频率。这定义了滤波器元件尺寸,以在AC线路频率下实现所需的低总谐波失真。Q1和Q2可以看到完整的汇流排电压,


对於系统中的800-V DC链路电压,额定电压为 1,200 V。由於Q3和Q4连接到VN,因此它们只能看到一半的汇流排电压,在800-V DC链路电压系统中的额定电压可以达到600 V,以节省此类型转换器的成本。


【拓扑3】主动中性点钳位 (ANPC) 转换器拓扑

在ANPC转换器拓扑中,VN与主动开关Q5和Q6相连,并将VN设定在DC链路电压之间。与T型转换器一样,滤波器看到的涟波频率等於定义AC线路滤波器大小的PWM频率。这种架构的优点在於所有开关的额定电压都可以是最大DC链路电压的一半;在800-V系统中,可以使用600-V额定开关,这对成本会有正面影响。


关闭此转换器时,务必将每个开关的所有电压限制为DC链路电压的一半。换句话说,控制微控制器(MCU)需要处理关断顺序。TI的TMS320F280049C和C2000产品系列中的其他装置具有可配置逻辑,其允许在硬体中实现关机逻辑以卸载MCU的软体任务。


【拓扑 4】中性点钳位 (NPC)

转换器拓扑衍生自ANPC拓扑。在此,VN透过二极体D5和D6连接,并将VN设定在DC链路电压之间。滤波器看到的输出涟波频率等同於定义AC线路滤波器大小的PWM频率。与ANPC拓扑一样,所有开关的额定电压可以是最大DC链路电压的一半,但是没有两个开关,而是有两个快速二极体。


与ANPC拓扑相比,NPC拓扑的成本略低,但效率也略低。关断顺序的需求也和ANPC拓扑相同。从上述提及的ANPC叁考设计衍生出NPC拓扑很容易。


【拓扑 5】飞驰电容器拓扑

此转换器在於电容器连接到由Q1和Q2以及Q3和Q4实现的堆叠半桥的开关节点。电容器两端的电压限制为DC 链路电压的一半,并在V+/V-之间进行周期性转移;并会在转移时进行电力传输。此拓扑於正弦波和负正弦波期间使用所有开关。在此拓扑中,滤波器看到的输出涟波频率是 PWM 频率的两倍,假定飞驰电容器的每个周期偏移产生更小尺寸的AC线路滤波器。同样的,所有开关的额定电压都可以是最大DC链路电压的一半,对於成本方面会有正面影响。


图四表列出不同拓扑结构的优点和挑战,从中可以对照差异。



图四 : 不同转换器拓扑结构的优点和挑战
图四 : 不同转换器拓扑结构的优点和挑战

与传统二阶转换器相比,所有四种三阶拓扑在功率密度(具有最小解决方案尺寸)、高度可靠的运作和快速上市时间方面都具有明显的优势。在使用宽频隙装置和高性能MCU下,能以相似的成本更进一步扩增这些优势。


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