用于集成太陽能和儲能系統的5種轉換器拓撲

儲能系統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。許多住宅現在使用太陽能發電和電池儲能相結合的系統，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與儲能系統進行集成。

圖 1：一種住宅用太陽能發電和儲能系統安裝方案

圖 2：具有儲能系統的典型光伏逆變器系統

理想情況下，這種類型的系統具有可實現交流/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）并有助于將產品快速推向市場。然而，這些要求并非總能同時實現，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校正級中實現三相工作模式。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%。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。 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所需的低總諧波失真。Q1 和 Q2 會看到全總線電壓，當系統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中，它們的額定電壓為600V，這可以節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 系統中，可以使用額定電壓為 600V 的開關，因此有助于節省成本。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告訴你在這個轉換器中發生了什么；一個電容器連接到由Q1和Q2以及Q3和Q4實現的疊加半橋的開關節點。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，因此有助于節省成本。

表 1 列出了不同拓撲的優點和挑戰。

表 1：不同轉換器拓撲的優點和挑戰

與傳統的兩級轉換器相比，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勢。

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