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本文介紹了向太陽能電網(wǎng)添加儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：

1.雙向功率轉(zhuǎn)換 

高級(jí)雙向電源拓?fù)淇稍陔娋W(wǎng)、光伏陣列 和電池管理系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)安全高效的功 率傳輸。 

2.高電壓電池

以前使用 48V 電池組的太陽能裝置正在 采用 400V 電池組，因此需要電壓更高的 電池。 

3.時(shí)尚的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

為了實(shí)現(xiàn)時(shí)尚的設(shè)計(jì)，工程師需要設(shè)計(jì)自 然對(duì)流冷卻最小的熱優(yōu)化系統(tǒng)。 

4.電流和電壓感應(yīng) 

在準(zhǔn)確感應(yīng)電流和電壓方面，開關(guān)頻率較 高的系統(tǒng)具有幾個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

白天，太陽能非常充足，但電流需求較低。供需平衡需求將促 使光伏系統(tǒng)快速整合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

盡管光伏 (PV) 裝置持續(xù)增加，但太陽能電網(wǎng)供需不 平衡的限制性已日益凸現(xiàn)。中午前后太陽能極為充 足，但這時(shí)需求不高，這意味著消費(fèi)者在早晚使用高 峰時(shí)，每瓦要支付更高的成本。

 用于住宅、商業(yè)和公用事業(yè)太陽能裝置的儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 支持逆變器儲(chǔ)存白天收集的能量，或者在需求 較低時(shí)從電網(wǎng)獲取電能，在需求較高時(shí)提供這些儲(chǔ)存 的能量。通過向太陽能并網(wǎng)系統(tǒng)添加 ESS，用戶可以 通過“削峰填谷”的方式降低成本。 

在本白皮書中，我將探討并網(wǎng)太陽能裝置集成儲(chǔ)能系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

雙向功率轉(zhuǎn)換

常規(guī)的太陽能裝置包括單向直流/交流和直流/直流 功率級(jí)，但是單向方法使 ESS 集成面臨主要障礙：它 需要更多的元件、模塊和子系統(tǒng)，所有這些都顯著增 加了向現(xiàn)有的太陽能裝置中添加 ESS 的成本。 

要向現(xiàn)有的太陽能裝置添加儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要將電池 充電和放電兩條路徑合并為一條包含功率因數(shù)校正 (PFC) 和逆變器功率級(jí)的路徑。但是，如何用雙向功 率轉(zhuǎn)換器取代兩個(gè)單向轉(zhuǎn)換器呢？ 

高級(jí)雙向電源拓?fù)洌ㄈ鐖D1所示）可在電網(wǎng)、光伏 陣列和電池管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)安全高效的電力傳輸。諸 如 C2000? 實(shí)時(shí) MCU 之類的微控制器 (MCU) 廣泛 用于此類電源拓?fù)洹＿@些控制器可以控制一個(gè)或多 個(gè)功率級(jí)，從而為具有 ESS 的光伏逆變器實(shí)現(xiàn)數(shù)字 控制的雙向功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)。MCU 控制可為處理直流/ 交流和直流/直流轉(zhuǎn)換的功率開關(guān)提供更復(fù)雜的脈寬 調(diào)制（PWM）方案。

圖 1.雙向 PFC 和逆變器級(jí)的方框圖

混合逆變器可幫助轉(zhuǎn)換級(jí)實(shí)現(xiàn)更高的效率，由于會(huì) 進(jìn)行多次功率轉(zhuǎn)換，這在集成 ESS 的微電網(wǎng)中變得 越來越重要。電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)可通過直流/直流轉(zhuǎn)換 來對(duì)電池充放電，也可以進(jìn)行直流/交流和交流/直流 轉(zhuǎn)換，這些操作可將儲(chǔ)存在電池中的直流電源轉(zhuǎn)換 為交流，從而將其饋入電網(wǎng)或反之。 

高電壓電池 

在集成儲(chǔ)能的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，電池的主要功能是儲(chǔ) 存光伏能量，并在需要時(shí)向電網(wǎng)注入能量。鋰離子電 池組比鉛酸電池組具有更高的儲(chǔ)能密度。 

隨著 400V 電池組在電動(dòng)汽車 (EV) 領(lǐng)域變得越來越 普遍，太陽能電網(wǎng)裝置中的電池電壓也在不斷增加， 超過 48V 電池組。但是，如何管理 400V 電池組的功 率轉(zhuǎn)換呢？ 

除了提供系統(tǒng)控制和通信以幫助 ESS 集成到大型 系統(tǒng)中的 MCU 外，低損耗和高效率的功率開關(guān)也 會(huì)使儲(chǔ)能系統(tǒng)安全可靠?；谔蓟?(SiC) 和氮化鎵(GaN) 材料的緊湊型電源開關(guān)，以及實(shí)時(shí)控制 MCU， 有助于確保雙向轉(zhuǎn)換器的適用性，使其可以與各種直 流儲(chǔ)能單元一起工作。如下頁圖 2所示。 

隨著電池電壓的升高，對(duì)于轉(zhuǎn)換器更高功率密度，更 低開關(guān)損耗的要求，寬帶隙半導(dǎo)體器件，例如SiC和 GaN，將扮演越來越重要的角色。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還可 以幫助電池組更好地管理分布式發(fā)電系統(tǒng)中的功率 波動(dòng)，并使電網(wǎng)在更高和更寬的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)智 能、彈性運(yùn)行。

 最終，太陽能裝置可能會(huì)模仿電動(dòng)汽車使用的電池 組。越來越多的人認(rèn)為，電動(dòng)汽車當(dāng)前使用的電池組 將作為并網(wǎng) ESS 回收再利用。 

用于提高效率和實(shí)現(xiàn)自然對(duì)流的寬帶 隙材料 

為了打造時(shí)尚的壁掛式儲(chǔ)能系統(tǒng)，必須確保對(duì)逆變器 設(shè)計(jì)進(jìn)行熱優(yōu)化，使自然對(duì)流冷卻最小。分布式電源 架構(gòu)可將熱量分散在整個(gè)系統(tǒng)中。此類架構(gòu)還使儲(chǔ)能逆變器支持不同電壓下的高電流水平，并能夠?qū)焖? 變化的負(fù)載提供可靠的瞬態(tài)響應(yīng)。 

這種系統(tǒng)將需要柵極驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可支持快速開 關(guān)并在 100kHz 至 400kHz 的開關(guān)頻率下提供保護(hù)。 如果開關(guān)速度不夠快，那么功率轉(zhuǎn)換級(jí)可能會(huì)產(chǎn)生巨 大的效率損失。 

這正是寬帶隙材料（例如 SiC 和 GaN）的用武之 地，它可提供更快的開關(guān)速度和更高的功率密度。 這些半導(dǎo)體器件有助于設(shè)計(jì)無需風(fēng)扇冷卻的系 統(tǒng)。LMG3425R030 是一款 GaN 器件，具有集成驅(qū)動(dòng) 器和保護(hù)特性，可提供緊湊的外形尺寸、更高的功率 密度和更快的開關(guān)性能。

 柵極驅(qū)動(dòng)器將來自控制器的數(shù)字 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 SiC 或 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管所需的電流?；?PWM 的 控制器可確保在多個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)準(zhǔn)確地采樣電壓和 電流。

圖 2.雙有源電橋直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行，從而支持電池充電和放電應(yīng)用

使用 C2000 MCU 的雙向高密度 GaN CCM 圖騰柱 PFC 參考設(shè)計(jì)包括一個(gè)雙向圖騰柱無橋 PFC 功率 級(jí)，它采用 C2000 實(shí)時(shí) MCU 和具有集成驅(qū)動(dòng)器和 保護(hù)特性的 LMG3410R070 GaN FET（圖 3）。3kW 雙向設(shè)計(jì)可利用切相和自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間提高效率， 并借助非線性電壓環(huán)降低 PFC 模式下的瞬態(tài)電壓 尖峰。

圖 3

電流和電壓感應(yīng)

高頻開關(guān)的電源設(shè)計(jì)面臨精確感應(yīng)電流和電壓的挑 戰(zhàn)。基于分流器的電流測(cè)量不僅更準(zhǔn)確，而且還提供 更快的響應(yīng)時(shí)間，從而對(duì)電網(wǎng)中的任何變化做出快速 反應(yīng)，并在發(fā)生短路或電網(wǎng)連接丟失的情況下關(guān)閉系 統(tǒng)。以逆變器為中心的設(shè)計(jì)包含電流測(cè)量，因?yàn)榭刂? 算法需要通過電流感應(yīng)進(jìn)行控制。針對(duì)隔離型電流測(cè) 量，可采用具有外部分流器和隔離放大器或調(diào)制器圖 3.GaN CCM 圖騰柱參考設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制，使用 C2000 實(shí)時(shí) MCU 和具有集成式柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)特 性的快速開關(guān) GaN 器件電源的設(shè)計(jì)解決方案。例如，10kW 雙向三相 三電平 (T 型）逆變器和 PFC 參考設(shè)計(jì)采用 AMC1306 隔離 調(diào)制器進(jìn)行負(fù)載電流監(jiān)測(cè)。AMC3306 是一款具有集 成直流/直流轉(zhuǎn)換器的新一代隔離式調(diào)制器，能實(shí)現(xiàn) 單電源運(yùn)行。 

對(duì)于使用較高電壓的逆變器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中需要跨不同 電壓域傳輸數(shù)據(jù)的任何數(shù)字信號(hào)，可以使用隔離器件 來克服電壓限制。諸如 ISO7741 之類的數(shù)字隔離器 支持高頻信號(hào)跨越電源邊界，同時(shí)保護(hù)低壓數(shù)字電路 免受高壓域的影響。 

電源轉(zhuǎn)換器必須測(cè)量電網(wǎng)電流，才能確保電流與電壓 同相。電流和電壓測(cè)量還可控制電池充電電流，確保 逆變器可靠運(yùn)行并提供過載保護(hù)。

結(jié)束語 

提供雙向交流/直流和直流/直流電源轉(zhuǎn)換的混合逆 變器可能會(huì)在幾年內(nèi)取代傳統(tǒng)的光伏逆變器?；旌夏? 變器支持光伏逆變器設(shè)計(jì)人員在各種輸出功率和電 壓下實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。 

對(duì)于儲(chǔ)能型光伏逆變器，具有更高且更寬的電池電壓 范圍很重要。鑒于對(duì)高效率和自然對(duì)流的需求，基本 構(gòu)建塊（例如基于 MCU 的控制和具有集成柵極驅(qū)動(dòng) 器和保護(hù)特性的寬帶隙半導(dǎo)體）可以適應(yīng)上述更高和 更寬的電池電壓范圍。 

C2000 實(shí)時(shí) MCU 和 LMG3425R030 GaN 器件能夠 處理儲(chǔ)能型太陽能電網(wǎng)中的雙向能量傳輸。同樣，基 于分流器的電流和電壓感應(yīng)可以確保高電壓電池和 快速開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器安全可靠地工作。