基于 TI GaN FET 的 10kW 单相串式逆变器设计方案

随着对能源可持续性和能源安全的关注度不断提升，储能系统的需求在住宅太阳能装置等领域呈现出加速增长的态势。在当前市场上，存在功率高达 2kW 且带有集成式储能系统的微型逆变器。当系统需要更高功率时，连接了储能系统的串式逆变器或混合串式逆变器成为了更合适的选择。

一、混合串式逆变器的结构与原理

混合串式逆变器是一种复杂而高效的电力转换设备，其方框图如图 1 所示。常见的稳压直流母线将各个基本模块互联起来，它主要包含以下几个关键子块：

• 单向 DC/DC 转换器：用于执行功率点跟踪，确保光伏面板在不同光照和温度条件下都能输出功率。

• 双向 DC /DC 转换器：负责电池的充电和放电，使得电池能够在夜间或停电期间为系统供电。

• DC/AC 转换器：将直流电源转换为交流电源，并保持低电流总计谐波失真 (THD)，以满足电网的要求。

• 微控制器 (MCU)：承担着测量电流和电压、控制电源开关、执行绝缘监测、检测串拱以及启用通信等重要任务。

• 电源优化器：尽可能提高光伏面板的可用功率，减少辐照度和温度等外部变量对其的影响。
  

  

二、IGBT 与 GaN FET 的性能对比

传统的串式逆变器通常采用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 作为电源开关。然而，IGBT 存在尾电流和二极管反向恢复等问题，这些问题会导致较高的开关损耗。而且，这些现象受温度影响较大，在采用静态散热解决方案时，会进一步导致更高的功率损耗。因此，IGBT 需要在低频下运行，这就需要体积更大的无源元件和散热器。其开关频率典型范围为 5kHz 至 15kHz。
相比之下，氮化镓 (GaN) 等宽带隙电源开关没有少数载流子现象，能够有效减少开关损耗。在保持系统损耗不变的情况下，使用 GaN 开关可以显著提高开关频率，从而减少无源元件的数量，平均而言，开关频率可以提高 6 倍。

三、基于 GaN 的串式逆变器的设计方案

本文提出了一种基于 GaN 场效应晶体管 (FET) 的 10kW 单相串式逆变器设计方案。该参考设计包含四个在不同开关频率下运行的电源转换系统：

• 两个升压转换器：用于实现两个独立的串式输入，每个转换器的额定功率为 5kW，开关频率为 134kHz。

• 一个交错式双向 DC/DC 转换器：额定功率为 10kW，开关频率为 67kHz。

• 一个面向电网的双向 DC/AC 转换器：额定功率为 4.6kW，开关频率为 89kHz。
  

  

  
  

  

四、关键组件的选择与应用

• 功率器件：采用额定电压为 650V 的 30mΩ LMG3522R030 GaN FET，这种 FET 能够在顶部进行散热，热阻抗比底部散热器件更小。并且，这些 FET 集成了栅极驱动器，可降低解决方案成本并缩小设计尺寸。

• MCU：该参考设计由单个 TMS320F28P550SJ MCU 控制，它可以对四个功率转换级进行实时控制、提供保护并实现多个控制环路。由于集成了栅极驱动器，MCU 可以直接控制 GaN FET，底部不需要隔离式栅极驱动器。

• 电流检测：系统需要在不同转换器级的不同点进行电流测量。在升压转换器中，使用基于并联的解决方案（如负电源轨上的 INA181）；在交错式转换器中，使用高精度电流检测增强型隔离式放大器 AMC1302；在逆变器级中，使用霍尔效应电流传感器（如 TMCS1123），这种传感器具有高带宽和高准确度，有助于显著降低电流 THD。

五、实验结果与性能评估

为了验证该设计的性能，我们使用以下系统电压运行了此参考设计：串式输入电压为 350V，标称电池电压为 160V，电网电压为 230V，直流链路电压控制在 400V。我们收集了转换器在不同场景下工作时的效率：

• 从串式输入中获取电力并输送至电网：效率如图 4 所示。

• 从电池中获取电力并输送至电网：效率如图 5 所示。

• 从串式输入中获取电力并输送至电池：效率如图 6 所示。