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適用於整合太陽能和儲能系統的轉換器拓撲結構
 

【作者: 德州儀器】   2023年12月27日 星期三

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現在許多住宅使用的是組合太陽能發電和電池儲能系統,這種類型的系統具有用於AC/DC和DC/DC轉換的高效電源管理元件和高功率密度,具備極高的可靠性及最低損耗,但這些需要在子區塊的電源轉換拓撲上取捨,才能夠實現效能,本文說明不同轉換器拓撲結構的優點和挑戰。


隨著儲能系統價格變得更實惠,加上電價不斷上漲,消費者對再生能源的需求日益增加。許多住宅現在使用的是組合太陽能發電和電池儲能系統,以便在太陽能不足以支援需求時提供能源。圖一說明住宅的應用實例,圖二是顯示典型的太陽能逆變器系統如何與儲能系統整合。



圖一 : 住宅太陽能發電和儲能系統安裝
圖一 : 住宅太陽能發電和儲能系統安裝

圖二 : 附儲能系統的典型太陽能逆變器系統
圖二 : 附儲能系統的典型太陽能逆變器系統

在最佳的情況下,這種類型的系統具有用於AC/DC和DC/DC轉換的高效電源管理元件和高功率密度(具有最小的解決方案尺寸),不僅具備極高的可靠性和最低損耗,同時也能夠加快上市時間。然而,這些需求並非都可以同時實現,需要在這些子區塊的最佳化電源轉換拓撲上有所取捨。


AC/DC和DC/DC降壓和升壓電源轉換器的現有電源拓撲的共同點是交錯執行半橋或轉換器分支,以提高DC/DC轉換器功率位準,或是藉由放置三個以120度相移執行的分支來實現三相運作AC/DC逆變器或功率因數校正級。圖三顯示五種電源拓撲的簡化原理圖。



圖三 : 半橋和分支等效的電源拓撲
圖三 : 半橋和分支等效的電源拓撲

【拓撲 1】二級轉換器拓撲

在二級轉換器拓撲中,脈衝寬度調變(PWM)訊號互補(具有死區延遲以避免因切換訊號重疊而造成直通) 到電源裝置Q1和Q2。對於輸出端的正弦波,在Q1處應用的工作週期>50%。對於輸出端的負正弦波,Q2具有 >50%的工作週期。控制輸出功率是一個簡單的概念,但線路濾波器之前的輸出訊號具有完整的匯流排電壓擺幅,需要更大的濾波器來減少電磁干擾。進入濾波器的漣波頻率即是PWM頻率,會影響濾波器的大小。


三階拓撲允許使用較小的被動元件,並且與二階轉換器相比具有更低的EMI。有四個三階拓撲:


【拓撲 2】T 型拓撲

T 型拓撲以電晶體圍繞中性點排列的方式命名(VN)。Q1和Q2在DC鏈路之間連結,而Q3和Q4與VN串聯。濾波器看到的漣波頻率等於應用於開關Q1至Q4的PWM頻率。這定義了濾波器元件尺寸,以在AC線路頻率下實現所需的低總諧波失真。Q1和Q2可以看到完整的匯流排電壓,


對於系統中的800-V DC鏈路電壓,額定電壓為 1,200 V。由於Q3和Q4連接到VN,因此它們只能看到一半的匯流排電壓,在800-V DC鏈路電壓系統中的額定電壓可以達到600 V,以節省此類型轉換器的成本。


【拓撲3】主動中性點鉗位 (ANPC) 轉換器拓撲

在ANPC轉換器拓撲中,VN與主動開關Q5和Q6相連,並將VN設定在DC鏈路電壓之間。與T型轉換器一樣,濾波器看到的漣波頻率等於定義AC線路濾波器大小的PWM頻率。這種架構的優點在於所有開關的額定電壓都可以是最大DC鏈路電壓的一半;在800-V系統中,可以使用600-V額定開關,這對成本會有正面影響。


關閉此轉換器時,務必將每個開關的所有電壓限制為DC鏈路電壓的一半。換句話說,控制微控制器(MCU)需要處理關斷順序。TI的TMS320F280049C和C2000產品系列中的其他裝置具有可配置邏輯,其允許在硬體中實現關機邏輯以卸載MCU的軟體任務。


【拓撲 4】中性點鉗位 (NPC)

轉換器拓撲衍生自ANPC拓撲。在此,VN透過二極體D5和D6連接,並將VN設定在DC鏈路電壓之間。濾波器看到的輸出漣波頻率等同於定義AC線路濾波器大小的PWM頻率。與ANPC拓撲一樣,所有開關的額定電壓可以是最大DC鏈路電壓的一半,但是沒有兩個開關,而是有兩個快速二極體。


與ANPC拓撲相比,NPC拓撲的成本略低,但效率也略低。關斷順序的需求也和ANPC拓撲相同。從上述提及的ANPC參考設計衍生出NPC拓撲很容易。


【拓撲 5】飛馳電容器拓撲

此轉換器在於電容器連接到由Q1和Q2以及Q3和Q4實現的堆疊半橋的開關節點。電容器兩端的電壓限制為DC 鏈路電壓的一半,並在V+/V–之間進行週期性轉移;並會在轉移時進行電力傳輸。此拓撲於正弦波和負正弦波期間使用所有開關。在此拓撲中,濾波器看到的輸出漣波頻率是 PWM 頻率的兩倍,假定飛馳電容器的每個週期偏移產生更小尺寸的AC線路濾波器。同樣的,所有開關的額定電壓都可以是最大DC鏈路電壓的一半,對於成本方面會有正面影響。


圖四表列出不同拓撲結構的優點和挑戰,從中可以對照差異。



圖四 : 不同轉換器拓撲結構的優點和挑戰
圖四 : 不同轉換器拓撲結構的優點和挑戰

與傳統二階轉換器相比,所有四種三階拓撲在功率密度(具有最小解決方案尺寸)、高度可靠的運作和快速上市時間方面都具有明顯的優勢。在使用寬頻隙裝置和高性能MCU下,能以相似的成本更進一步擴增這些優勢。


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