广告

用于集成太阳能和储能系统的 5 种转换器拓扑

2023-03-27 11:34:27 德州仪器 阅读:
储能系统价格变得越来越实惠,电价也在上涨,因此对可再生能源的需求不断增加。许多住宅现在使用太阳能发电和电池储能相结合的系统,确保在太阳能无法满足需求时能够提供能源。
广告

储能系统价格变得越来越实惠,电价也在上涨,因此对可再生能源的需求不断增加。许多住宅现在使用太阳能发电和电池储能相结合的系统,确保在太阳能无法满足需求时能够提供能源。图 1 展示了一个住宅用例,图 2 展示了如何将典型的光伏逆变器系统与储能系统进行集成。

 1:一种住宅用太阳能发电和储能系统安装方案

 2:具有储能系统的典型光伏逆变器系统

理想情况下,这种类型的系统具有可实现交流/直流和直流/直流转换和高功率密度的高效电源管理组件(具有尽可能小的解决方案尺寸),这些组件具有高度可靠性(损耗超低)并有助于将产品快速推向市场。然而,这些要求并非总能同时实现,需要就这些子块的理想电源转换拓扑进行权衡。

交流/直流和直流/直流降压和升压电源转换器的现有电源拓扑的共同点是具有交错运行的半桥或转换器分支,旨在用于提高直流/直流转换器中的功率级别,或者通过放置三个以 120 度相移运行的分支在交流/直流逆变器或功率因数校正级中实现三相工作模式。图 3 所示为五种电源拓扑的简化原理图。

 3半桥电源拓扑和等效分支电源拓扑

拓扑 1  在两级转换器拓扑结构中,脉宽调制(PWM)信号作为补充应用于功率器件Q1和Q2(具有时间延迟,以避免因开关信号重叠而发生击穿)。对于输出端的正正弦波,Q1 应用的占空比为 >50%。对于输出端的负正弦波,Q2 的占空比为 >50%。控制输出功率是一个简单的概念,但线路滤波器之前的输出信号具有一个全总线电压摆幅,这种情况下需要更大的滤波器来减少电磁干扰。进入滤波器的纹波频率是 PWM 频率,会影响滤波器的大小。

与两级转换器相比,三级拓扑允许使用更小的无源器件,并且具有更低的 EMI。共有四种三级拓扑:

拓扑 2T型拓扑结构因晶体管围绕中性点(VN)的排列方式而得名。Q1和Q2于直流链路连接,而Q3和Q4则与VN串联。 滤波器看到的纹波频率等于施加在开关 Q1 至 Q4 上的 PWM 频率。这决定了需要使用多大的滤波器元件才能在交流线路频率下实现所需的低总谐波失真。Q1 和 Q2 会看到全总线电压,当系统中的直流链路电压为 800V 时,额定的全总线电压需要达到 1,200V。由于Q3和Q4连接到VN,它们只看到全总线电压的一半,在800-V的直流链路电压系统中,它们的额定电压为600V,这可以节省转换器类型的成本。

拓扑 3 在有源中性点箝制(ANPC)转换器拓扑结构中,VN与有源开关Q5和Q6连接,并将VN设置在直流链路电压的中间。与 T 型转换器一样,滤波器看到的纹波频率等于用来确定交流线路滤波器尺寸的 PWM 频率。这种架构的优点是所有开关的额定电压都是最大直流链路电压的一半;在 800V 系统中,可以使用额定电压为 600V 的开关,因此有助于节省成本。关闭此转换器时,务必将每个开关上的所有电压限制为直流链路电压的一半。换句话说,控制微控制器 (MCU) 需要处理关断时序。

拓扑 4中性点箝制(NPC)转换器拓扑结构来自ANPC拓扑结构。这里的VN通过二极管D5和D6连接,将VN设置在直流链路电压中间。 滤波器看到的输出纹波频率等于用来确定交流线路滤波器尺寸的 PWM 频率。与 ANPC 拓扑一样,所有开关的额定电压都是最大直流链路电压的一半,但有另外两个开关需改为两个快速二极管。与 ANPC 拓扑相比,NPC 拓扑的成本略有降低,但代价是效率也略有降低。关断时序的要求也与 ANPC 拓扑相同。从上述 ANPC 参考设计中很容易推导出 NPC 拓扑。

拓扑 5 飞跨电容型拓扑结构已经告诉你在这个转换器中发生了什么;一个电容器连接到由Q1和Q2以及Q3和Q4实现的叠加半桥的开关节点。电容器上的电压限制为直流链路电压的一半,并在 V+/V– 之间周期性漂移;漂移时会进行电源输送。这种拓扑在正正弦波和负正弦波期间使用所有开关。在这种拓扑中,滤波器看到的输出纹波频率是飞跨电容器每个周期漂移时提供的 PWM 频率的两倍,因此交流线路滤波器的尺寸更小。同样,所有开关的额定电压都是最大直流链路电压的一半,因此有助于节省成本。

表 1 列出了不同拓扑的优点和挑战。

  2L 2L 中采用 TIDA-01606  3LTIDA-01606 ANPCTIDA-010210 NPC 3L源自 ANPC FC3L飞跨电容器 3L
优点 简单的控制方案仅 2 个开关2 PWM 简单的控制方案Q3/Q4 see 1/2 VDCEMI 优于 2LfRIPPLE = fPWM 效率高所有开关看到1/2 VDCEMI 优于 2L 成本低于 ANPC所有开关看到1/2 VDCEMI 优于 2LfRIPPLE = fPWM4 PWM 最高效率仅 4 个 HF FET(和 1 个电容器)fRIPPLE =2 fPWM磁性元件最小EMI 最低
挑战 Q1/Q2看到1/2 VDCEMI 大于 fPWM无源器件的尺寸最大  Q1/Q2看到1/2 VDC4 PWM 更加复杂的控制方案关断时序至关重要6 PWM 效率低于 ANPC更加复杂的控制方案关断时序至关重要 飞跨电容器初次充电关断时序至关重要

 1:不同转换器拓扑的优点和挑战

与传统的两级转换器相比,所有四种三级拓扑在功率密度(具有尽可能小的解决方案尺寸)、高度可靠运行和快速推向市场方面具有明显的优势。使用宽带隙器件和高性能 MCU 以合理的成本进一步增强了这些优势。

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 初步评估0121地震未造成台南晶圆厂重大损害,但恐加剧1Q25电视面板 嘉义地区里氏规模6.4地震,台南亦是重要面板产地,厂商实际受影响情况尚待确认,只是此次地震可能加大2025年第一季电视面板供给压力......
  • 2025年中国云终端市场七大洞察 前瞻未来市场将面对的机遇和挑战,IDC总结并给出了2025年中国云终端市场七大洞察……
  • 中科院微电子所在大区域掩模三维光刻潜像的快速仿真方面取得新进 该方法首先建立掩模三维潜像数据库,以训练条件生成对抗网络。使用训练好的网络计算出大区域掩模中局部位置的三维潜像,通过拼接获得最终结果。
  • 中国汽车厂商的全球扩张会加速电动汽车的普及吗? • 中国本土汽车厂商的海外业务正在表现出显着增长,与 2023 年上半年相比,这些厂商在中国以外的销售额翻了一番。 • 欧洲、东南亚和拉丁美洲正在成为中国汽车厂商的主要目标市场。 • 2023 年中国超过日本,成为全球最大的汽车出口国。 • 由于地缘政治的保护主义政策愈演愈烈,中国汽车厂商的快速扩张可能会在某些市场放缓。
  • 含硅还是不含硅? 大多数研发人员和导热界面材料配方设计师可能会推荐使用具备诸多优异特性的硅。然而,也存在一些例外情况。这些问题强调了在选择导热界面材料时考虑终端产品最终应用的重要性.....
  • CES 2025:芯科科技CTO Daniel Cooley专访 在与芯科科技(Silicon Labs)首席技术官Daniel Cooley的交谈中,我们了解到该公司在物联网(IoT)和智能边缘领域所发挥的作用和未来发展。
  • 欧洲汽车制造商面临双重打击!中国攻势猛烈,排放标准严苛 • 2024欧洲电动汽车销售遭遇增长瓶颈,多家车企将面临因无法满足欧七排放标准而带来的巨额罚款风险。 • 汽车厂商将电动汽车销售贡献作为降低旗下所有车辆平均排放量的关键。 • 汽车制造商需要解决消费者对电动汽车价格高、相关保险费和充电体验差的看法,以提高电动汽车的销量。
  • 2024Q3全球智能手机出货量增长 2%,收入和平均售价创历史新高 • 2024 年第三季度,全球智能手机市场同比增长 2%,出货量达到 3.07 亿部。 • 全球智能手机收入同比增长 10%,平均售价增长 7%。收入和平均售价均创下历史新高。 • 三星在出货量方面继续领跑市场,占据 19% 的销量份额。 • 苹果在营收方面领先,并创下了其历年第三季度出货量、收入和平均售价的最高记录。 • 小米位居第三,收入增长超过出货量增长比例,而 OPPO 则位居第四。vivo 在前五大手机品牌厂商 中同比增长最快。
  • 人工智能服务器目前占全球服务器市场的三分之一 • 由于对 AI 服务器的强劲需求,服务器市场在 2024 年第二季度急剧增长,同比增长了 35%。 • 三大巨头分别是戴尔、超微和HPE。但由于微软、亚马逊、谷歌和 Meta 继续定制自己的服务器,ODM 直销占据主导地位。
  • 中国成为最大腕戴设备市场,引领全球增长 腕戴设备市场包含智能手表和手环产品。其中,智能手表市场在2024年前三季度全球出货量1.1亿台,同比下降3.8%;而中国智能手表市场出货量3,286万台,同比增长……
广告
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了