如何在太陽能應(yīng)用旁路電路中使用理想二極管控制器并擴(kuò)展其輸入電壓范圍

本次為大家?guī)淼氖?strong>《如何在太陽能應(yīng)用旁路電路中使用理想二極管控制器并擴(kuò)展其輸入電壓范圍》。本文將介紹一種采用浮動?xùn)艠O理想二極管控制器的可擴(kuò)展輸入旁路電路解決方案。該電路可解決太陽能功率優(yōu)化器、快速關(guān)斷和 PV 接線盒等太陽能電源應(yīng)用中旁路開關(guān)需要寬電壓支持的相關(guān)難題。

引言

在太陽能光伏 (PV) 系統(tǒng)中，模塊級電力電子設(shè)備 (MLPE) 可在某些條件（特別是在陰影條件）下提高發(fā)電性能。MLPE 曾被視為成本較高的特殊應(yīng)用，現(xiàn)在則是太陽能行業(yè)中發(fā)展最快的細(xì)分市場之一。太陽能功率優(yōu)化器是一種用于優(yōu)化 PV 電池板的功率輸出并提高效率的 MLPE。

傳統(tǒng)太陽能功率優(yōu)化器使用 P-N 結(jié)二極管或肖特基二極管作為旁路電路。當(dāng)大電流流過二極管時，由于二極管的正向壓降相對較高，產(chǎn)生的高功率耗散會導(dǎo)致嚴(yán)重的熱問題。一種改進(jìn)的方法是使用壓降比二極管低的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 來克服高功率損耗問題。

此外，得益于在給定功率等級下導(dǎo)通損耗更低而實現(xiàn)的效率提升以及較低的系統(tǒng)成本，太陽能優(yōu)化器現(xiàn)在可支持更高的輸入電壓（兩個 PV 電池板串聯(lián)的情況下，支持高達(dá) 150V 瞬態(tài)電壓）。在本文中，我們將討論一種采用浮動?xùn)艠O理想二極管控制器的可擴(kuò)展輸入旁路電路解決方案。該電路可解決太陽能功率優(yōu)化器、快速關(guān)斷和 PV 接線盒等太陽能電源應(yīng)用中旁路開關(guān)需要寬電壓支持的相關(guān)難題。

什么是太陽能功率優(yōu)化器？

圖 1 展示了一個 PV 系統(tǒng)，其中太陽能功率優(yōu)化器安裝在單個 PV 電池板上。

圖 1: 裝有太陽能功率優(yōu)化器的 PV 系統(tǒng)

可以將功率優(yōu)化器視為介于微型逆變器和串式逆變器之間的折衷方案。功率優(yōu)化器像微型逆變器一樣安裝在單個太陽能電池板上，但其功能與將直流電轉(zhuǎn)換為交流電無關(guān)。功率優(yōu)化器實時跟蹤每個太陽能電池板的最大功率，并對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后將其傳輸至逆變器。因此，逆變器可以處理更多的電能，從而使每個太陽能電池板的發(fā)電性能得以優(yōu)化，不論電池板面向太陽的角度和遮光情況如何，亦或是一個或多個電池板損壞，也不受影響。相較于不使用單獨(dú)的電池板級優(yōu)化器的太陽能系統(tǒng)，在每個 PV 電池板上安裝功率優(yōu)化器的太陽能系統(tǒng)的效率可提升 20% 至 30%。

太陽能功率優(yōu)化器的輸出旁路功能

對于大功率光伏逆變器而言，將多個 PV 電池板以串聯(lián)方式連接可以實現(xiàn)進(jìn)入逆變器輸入端的高直流輸入電壓。將優(yōu)化器部署到相應(yīng)的 PV 電池板可獲得超高的效率，如圖 2 所示。PV 電池板串實際上通過優(yōu)化器的輸出端相互連接。由于所有 PV 電路板均以串聯(lián)方式連接，如果任何一個太陽能電池板發(fā)生故障，則 PV 電池板串的電壓會崩潰。輸出旁路電路為受損壞的優(yōu)化器周圍的組串電流提供一條并行路徑。圖 2 展示了在其中一個 PV 電路板斷開時，旁路功能是如何工作的。

圖 2：太陽能功率優(yōu)化器的輸出旁路功能

輸出旁路電路解決方案

旁路電路通常有兩種解決方案。實現(xiàn)旁路功能的常用方法是使用 P-N 結(jié)二極管或肖特基二極管，如圖 3 所示。這種方法成本低、易于使用，并且可根據(jù)所選二極管實現(xiàn)非常高的反向電壓。但是也存在一些缺點(diǎn)，例如高正向壓降（0.5V 至 1V），會導(dǎo)致更高的功率耗散并需要更大的印刷電路板。為了克服旁路二極管解決方案的缺點(diǎn)，可以選擇使用壓降更低且功率損耗更低（得益于低 RDS(on)）的 N 溝道 MOSFET。不過，這種方法也有如下缺點(diǎn)：

MOSFET 不是一種獨(dú)立的解決方案，它需要在控制電路（通常是帶有分立式 MOSFET 驅(qū)動器電路的微控制器 (MCU)）的作用下用作開關(guān)。

MCU 需要由 PV 電路板供電。如果 PV 電路板嚴(yán)重?fù)p壞或完全被陰影或遮蔽物覆蓋，則 MCU 將無法工作，并且 MOSFET 無法導(dǎo)通。

在 MCU 出現(xiàn)故障的情況下，MOSFET 無法導(dǎo)通，旁路路徑會通過 MOSFET 的體二極管。但 MOSFET 的體二極管無法承受大電流，并且會因熱量累積而產(chǎn)生高溫，造成火災(zāi)風(fēng)險。

圖 3：在太陽能優(yōu)化器中使用旁路開關(guān)的典型解決方案

為克服基于 MCU 的開/關(guān)控制方案的缺點(diǎn)，一種智能方法是使用可在無任何外部干預(yù)的情況下自主工作的獨(dú)立 MOSFET 控制器。德州儀器的 LM74610-Q1系列浮動?xùn)艠O理想二極管控制器通過控制外部 N 溝道 MOSFET 來模擬串聯(lián)二極管的行為，可提供獨(dú)立的低損耗旁路開關(guān)解決方案。這類控制器具有浮動柵極驅(qū)動架構(gòu)，可在輸入電壓低至 MOSFET 體二極管正向壓降（約為 0.5V）的情況下運(yùn)行。

不過，隨著光伏逆變器功率等級的提高以及更高電壓 PV電池板應(yīng)用的增加，旁路電路需滿足一些要求才能優(yōu)于傳統(tǒng)解決方案。它需要與電壓范圍為 20V 至 150V 的 PV 電池板配合使用，以便可以跨多個平臺擴(kuò)展，并且它應(yīng)獨(dú)立于其他電路。

使用低壓理想二極管控制器的可擴(kuò)展旁路開關(guān)解決方案

旁路電路解決方案使用具有浮動?xùn)艠O驅(qū)動架構(gòu)的理想二極管控制器（例如 LM74610-Q1）來驅(qū)動外部 MOSFET，并模擬理想二極管作為旁路電路，使其獨(dú)立于其他電路。浮動?xùn)艠O驅(qū)動架構(gòu)可以實現(xiàn)通用輸入范圍，原因在于柵極驅(qū)動不以地為基準(zhǔn)。此外，該機(jī)制的獨(dú)特優(yōu)勢在于不以地為基準(zhǔn)，因此靜態(tài)電流為零。

當(dāng)太陽能電池板和太陽能設(shè)備正常運(yùn)行時，旁路 MOSFET 關(guān)斷，并且從理想二極管控制器的陰極到陽極引腳會出現(xiàn)等于最大電池板電壓的反向電壓。不過，從理想二極管控制器的陰極到陽極引腳的反向電壓（PV+ 至 PV-）可能非常高，可達(dá)到 PV 電池板和電池板串的瞬態(tài)電壓。在串聯(lián)使用多個具有較大輸入電壓范圍的 PV 電池板時，為旁路電路設(shè)計最大輸入電壓范圍可能極具挑戰(zhàn)性。LM74610-Q1 的最大反向電壓限制為 45V 瞬態(tài)。因此，目前可用的理想二極管控制器器件不適用于額定輸入電壓為 80V 或 125V 的太陽能電池板。

通過在檢測路徑中添加耗盡型 MOSFET QD 來擴(kuò)展理想二極管控制器的反向電壓范圍，可針對任何范圍保持該電壓電平，如圖 4 所示。QD 的漏極連接到輸出 PV+。源極和柵極分別連接到理想二極管控制器的陰極和陽極。

圖 4: 可擴(kuò)展旁路開關(guān)解決方案

LM74610-Q1 反向電壓范圍擴(kuò)展的工作原理

耗盡型 MOSFET 默認(rèn)在 MOSFET VGS 為 0V 時導(dǎo)通，這與增強(qiáng)型 MOSFET 不同，后者要求 VGS 大于 MOSFET 的閾值電壓才能導(dǎo)通。要關(guān)斷耗盡型 MOSFET，VGS 需要小于 0V（典型范圍為 –1V 至 –4V）。為了分析耗盡型 MOSFET 在理想二極管檢測路徑中的作用，我們看一下以下條件下的器件運(yùn)行情況：

當(dāng) VPV– 大于等于 VPV+ 時：理想二極管控制器處于正向?qū)顟B(tài)，使功率 MOSFET Q1 和耗盡型 FET QD 保持導(dǎo)通狀態(tài)。在這些操作條件下，您可以計算輸出電壓VOUT = VIN – (ID_Q1 RDS(on)_Q1)，近似為 VPV+。

當(dāng) VPV– 小于 VPV+ 時：理想二極管控制器處于反向電流阻斷狀態(tài)，MOSFET Q1 關(guān)斷。MOSFET QD 作為源極跟隨器處于調(diào)節(jié)模式，維持 VCATHODE 高于 VANODE，且VCATHODE = VIN(VANODE)+ (VGSMAX)。因此，VCATHODE至 VANODE 之間的電壓處于 QD 的絕對最大額定值 VGSMAX 范圍內(nèi)（通常小于 5V），遠(yuǎn)小于 LM74610-Q1 的 45V 最大瞬態(tài)反向電壓。高反向電壓 (VOUT – VIN) 由 QD 和 Q1 的漏源電壓 (VDS) 維持。

選擇正確的耗盡型 MOSFET 和功率 MOSFET 取決于以下幾點(diǎn)：

選擇 Q1 和 QD 時，其 VDS 額定值大于最大峰值輸入電壓。

選擇 RDS(on) 時，需確保可在電源路徑 MOSFET 上實現(xiàn)超低功耗。FET 的漏極電流 (ID) 應(yīng)高于輸出負(fù)載所需的最大峰值電流。開始時，可選擇一個在滿負(fù)載電流下能使功率 MOSFET 兩端的壓降為 50mV 至 100mV 的耗盡型 MOSFET。

RDS(on) 可以在數(shù)百歐范圍選擇（LM74610-Q1 的浮動?xùn)艠O驅(qū)動架構(gòu)具有較大的陰極引腳對地阻抗，并且控制器的 ICATHODE 在微安范圍內(nèi)）。

圖 5 展示了采用 40V LM74610-Q1 控制器的 60V 旁路開關(guān)解決方案的測試結(jié)果。

圖 5 :使用 LM74610-Q1 和耗盡型 MOSFET 的 60V 旁路電路的測試結(jié)果

使用合適規(guī)格的 MOSFET（Q1 和 QD），輸入電壓范圍可以擴(kuò)展至 FET 的 VDS 額定值。這樣可以使用同一低壓控制器實現(xiàn)高壓設(shè)計。此外，擴(kuò)展輸入電壓范圍在企業(yè)、通信、電動工具和高壓電池管理應(yīng)用中也非常有用。

結(jié)語

如果以串聯(lián)方式連接的 PV 電池板或太陽能設(shè)備出現(xiàn)損壞或故障，必須采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計來避免出現(xiàn)熱點(diǎn)和/或電壓供應(yīng)中斷。這一責(zé)任通常由太陽能功率優(yōu)化器或快速關(guān)斷裝置承擔(dān)。盡管使用標(biāo)準(zhǔn)整流二極管或肖特基二極管是繞過損壞電池板的最簡單解決方案，但鑒于熱效率低下，它們并非優(yōu)選方案。與旁路開關(guān)解決方案相比，浮動?xùn)艠O理想二極管控制器搭配 N 溝道 MOSFET 可實現(xiàn)更少的獨(dú)立損耗，并且進(jìn)一步通過添加耗盡型 MOSFET 的系統(tǒng)解決方案則可以提供完全可擴(kuò)展輸入范圍的解決方案，用于應(yīng)對 PV 電池板的寬輸入電壓范圍要求。