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MPPT常用拓?fù)湓砼c英飛凌實(shí)現(xiàn)方法

03/29 10:20
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MPPT(Maximum Power Point Tracking)是光伏逆變器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大程度利用太陽能的關(guān)鍵部分,不同的MPPT拓?fù)溆懈髯缘奶攸c(diǎn)。本文將對比常見的三種MPPT電路,并對雙boost (Dual Boost)的開關(guān)模式限制做了原理性分析,直觀解釋了Dual Boost 在MPPT中無法交錯(cuò)開關(guān)。針對不同的電壓與電流等級,本文提供了英飛凌針對各種拓?fù)涞膮⒖计骷x型方案,為設(shè)計(jì)高效可靠的MPPT提供便利。

MPPT基本原理與常用拓?fù)?/strong>

如何將太陽能最大程度轉(zhuǎn)化為電能,除了光伏電池板自身技術(shù)的發(fā)展以外,最大功率跟蹤MPPT也是壓榨太陽能利用率的重要環(huán)節(jié)。一般情況下,光照強(qiáng)度越大,光伏電池板能夠輸出的功率也越大。下圖是一定光照強(qiáng)度下電池板的輸出特性曲線,可以發(fā)現(xiàn)存在某個(gè)點(diǎn)的輸出功率最大(MPP,Maximum Power Point)。

圖1.光伏電池板輸出特性曲線

這個(gè)現(xiàn)象可以用一個(gè)簡化的模型來解釋,如下圖。負(fù)載電阻接收的功率為:

當(dāng)輸出電阻Ro調(diào)節(jié)到與電源內(nèi)阻Rint相同時(shí),負(fù)載可以接收到最大功率。光伏系統(tǒng)中的MPPT電路就起到了調(diào)節(jié)負(fù)載端的輸入阻抗,以獲得最大功率的目的。

圖2.MPPT原理示意圖

MPPT一般選用非隔離型的DC/DC電路,Buck、Boost以及Buck-Boost電路都有合適的應(yīng)用場合。只不過Buck與Buck-Boost一般多用于小功率光伏系統(tǒng)中,在以后的文章中將再次提及這一部分,這里不多做介紹。中大功率的MPPT一般都是Boost電路及其衍生電路,除了Boost電路本身拓?fù)浜唵我酝?,逆變?cè)對高壓直流母線的需求也使得升壓電路更受歡迎。

 

圖3.Single Boost

圖4.Dual Boost

圖5.FC Boost

以上是MPPT中常用的Boost電路及其衍生電路的拓?fù)?,?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1465710.html">電平的Single Boost電路結(jié)構(gòu)簡單,但是器件的電壓應(yīng)力會更大些;Dual Boost與Flying Capacitor Boost都屬于三電平的拓?fù)?,因而器件的電壓?yīng)力減半,但這兩種拓?fù)湓诠夥麺PPT應(yīng)用中還有很大的不同。

Dual Boost在MPPT中的開關(guān)模式限制

由于共模漏電流的問題[1],Dual Boost的兩顆主動管無法交錯(cuò),只能同步開關(guān),不能起到倍頻減小電感的作用。圖6是考慮光伏電池板對地寄生電容的簡化系統(tǒng),Cpv+Cpv-分別是電池陣列正負(fù)母線對地電容,LP、LN是Boost輸入電感,LA,LBLC是逆變器的輸出電感。地電流也就是共模漏電流如果過大的話,一方面不能滿足安全標(biāo)準(zhǔn),另一方面對光伏電池板本身的壽命也有影響。圖7是將圖6進(jìn)行交流等效后的簡化電路,忽略器件的差異,假設(shè)LP=LN=L,Cpv+=Cpv-=Cpv/2LA=LB=LC=Lf,當(dāng)Dual Boost采取不同的控制方式時(shí),共模漏電流ic會有不同的表達(dá)式。

 

圖6.使用Dual Boost的光伏逆變系統(tǒng)

圖.7 Dual Boost共模等效電路

當(dāng)Dual Boost開關(guān)時(shí),可以通過疊加定理方便地寫出iC的表達(dá)式:

假設(shè)三相電壓均衡,那么vAN、vBN、vCN的矢量和為0,iC又可以簡化為:

從這里我們可以看到排除掉元器件差異后,同樣的拓?fù)湎鹿材B╇娏鞯闹嫡扔谡?fù)母線的共模電壓大小。為了便于大家更直觀的理解,這里不再進(jìn)行復(fù)雜的傅里葉分解,而是使用兩張圖來對比。圖8和圖9是不同工作模式下,vP+vN與直流輸出電壓的比值。由此兩圖的對比可以看出,最終的傅里葉分解結(jié)果也是相差一個(gè)脈沖函數(shù)δ(ω)。因此使用Dual Boost交錯(cuò)開關(guān)時(shí)的共模漏電流會比同步開關(guān)時(shí)要大得多,很容易超過VDE或者GB/T等標(biāo)準(zhǔn)的值。

這里也可以順便一提Single Boost,從圖10可以看出正母線的共模噪聲源被負(fù)母線旁路了,不產(chǎn)生對地的共模漏電流。

圖8.交錯(cuò)開關(guān)時(shí)的共模電壓

圖9.同步開關(guān)時(shí)的共模電壓

圖10.Single Boost共模等效電路

FC Boost的特點(diǎn)

使用以上的方法,可以推導(dǎo)出FC Boost不存在共模漏電流的問題,兩顆主動管可以交錯(cuò)開關(guān),提高等效的開關(guān)頻率,因此同樣的電流紋波與開關(guān)頻率下,電感值可以是原先的一半。但是FC Boost拓?fù)渑c控制較為復(fù)雜,還需要引入飛跨電容的預(yù)充電電路,并且還有一些專利壁壘[2],導(dǎo)致使用這個(gè)拓?fù)涞拈T檻較高。

MPPT電路英飛凌模塊解決方案

針對不同的拓?fù)渑c功率需求,英飛凌都有高效并且可靠的解決方案。近些年隨著光伏電池本身技術(shù)的發(fā)展,單板電流越來越大,光伏電站對單瓦成本的要求又使得系統(tǒng)的交直流電壓越來越高。針對這種電壓愈高電流愈大的趨勢,英飛凌根據(jù)客戶的應(yīng)用需求和創(chuàng)新設(shè)計(jì)開發(fā)了各種模塊產(chǎn)品。

模塊產(chǎn)品基于英飛凌的Easy封裝,有著靈活的Pin針布置與極小的雜散電感,能夠最大程度上發(fā)揮出芯片與拓?fù)浔旧淼膬?yōu)勢。圖11是主要的一些方案,表1是1500V系統(tǒng)下適用的模塊方案的具體信息。其中DF4-19MR20W3M1HF_H94采用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先2kV SiC芯片技術(shù),每個(gè)模塊有4路Boost,通過簡單的拓?fù)浼纯蓪?shí)現(xiàn)1500VDC系統(tǒng)下的40A以上MPPT,開關(guān)頻率可推高至30kHz以上進(jìn)一步減小電感尺寸。

圖11.MPPT模塊方案概況

表1.1500V光伏系統(tǒng)MPPT解決方案

MPPT電路英飛凌單管解決方案

隨著高壓大電流的IGBT與SiC單管產(chǎn)品越來越多,光伏系統(tǒng)中也出現(xiàn)越來越多的分立器件方案以降低整體成本。英飛凌1200V的TRENCHSTOP? IGBT7 H7產(chǎn)品兼顧了導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗,非常適合Boost MPPT的應(yīng)用。表2 MPPT IGBT單管解決方案是針對不同電流時(shí),開關(guān)頻率16kHz下推薦的IGBT規(guī)格。如果使用SiC以獲得更優(yōu)異的性能,成倍提升的開關(guān)頻率(32kHz)也能使得濾波電感大大減小,推薦的方案見表3。

表2.MPPT IGBT單管解決方案

表3.MPPT SiC單管解決方案

以40A的光伏電池輸入為例,輸入520V,輸出800V,考慮40%的電流紋波情況下,IGBT方案與SiC方案的損耗與結(jié)溫仿真結(jié)果如下。

可以看到在使用推薦的方案,IGBT工作于16kHz,SiC工作于32kHz時(shí),在典型的滿載工況下,單管的損耗與結(jié)溫都有充足的裕量。因此也可以嘗試將開關(guān)頻率提到更高,以進(jìn)一步提升功率密度。如果使用更大電流能力的器件去減少并聯(lián)也是可以的,具體還要看大家自己的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

以上是MPPT基本原理與英飛凌解決方案,各位在做方案選型時(shí)可以基于此去做參考。但由于不同的光伏電池板的電壓、電流范圍不同,不同設(shè)計(jì)習(xí)慣中的電流紋波也不同,具體的案例仍然需要結(jié)合具體工況去做詳細(xì)評估。

參考文獻(xiàn)

【1】?? 光伏逆變器地電流分析與抑制. 蘇娜. 博士學(xué)位論文

【2】?? DC/DC power Conversion Apparatus. T. Okuda. US Patent

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英飛凌

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英飛凌科技股份公司是全球功率系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者。英飛凌以其產(chǎn)品和解決方案推動低碳化和數(shù)字化進(jìn)程。該公司在全球擁有約58,600名員工,在2023財(cái)年(截至9月30日)的營收約為163億歐元。英飛凌在法蘭克福證券交易所上市(股票代碼:IFX),在美國的OTCQX國際場外交易市場上市(股票代碼:IFNNY)。 更多信息,請?jiān)L問www.infineon.com

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