MPPT常用拓?fù)湓�理與英飛凌實(shí)現(xiàn)方法

芻狗

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(yáng)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(duì)比常見(jiàn)的三種MPPT電路，并對(duì)雙boost (Dual Boost)的開(kāi)關(guān)模式限制做了原理性分析，直觀解釋了Dual Boost 在MPPT中無(wú)法交錯(cuò)開(kāi)關(guān)。針對(duì)不同的電壓與電流等級(jí)，本文提供了英飛凌針對(duì)各種拓?fù)涞膮⒖计骷�選型方案，為設(shè)計(jì)高效可靠的MPPT提供便利。

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MPPT基本原理與常用拓?fù)?/div>

如何將太陽(yáng)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(yáng)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(jiǎn)化的模型來(lái)解釋?zhuān)�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(chǎng)合。只不過(guò)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?jiǎn)單以外，逆變側(cè)對(duì)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

  

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以上是MPPT中常用的Boost電路及其衍生電路的拓?fù)洌瑑呻娖降腟ingle Boost電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是器件的電壓應(yīng)力會(huì)更大些；Dual Boost與Flying Capacitor Boost都屬于三電平的拓?fù)洌�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。

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Dual Boost在MPPT中的開(kāi)關(guān)模式限制

由于共模漏電流的問(wèn)題[1]，Dual Boost的兩顆主動(dòng)管無(wú)法交錯(cuò)，只能同步開(kāi)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(duì)地寄生電容的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，Cpv+與Cpv-分別是電池陣列正負(fù)母線對(duì)地電容，LP、LN是Boost輸入電感，LA，LB和LC是逆變器的輸出電感。地電流也就是共模漏電流如果過(guò)大的話，一方面不能滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，另一方面對(duì)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(jiǎn)化電路，忽略器件的差異，假設(shè)LP=LN=L，Cpv+=Cpv-=Cpv/2，LA=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(huì)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(kāi)關(guān)時(shí)，可以通過(guò)疊加定理方便地寫(xiě)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(jiǎn)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�比于正�?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(lái)對(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)時(shí)的共模漏電流會(huì)比同步開(kāi)關(guān)時(shí)要大得多，很容易超過(guò)VDE或者GB/T等標(biāo)準(zhǔn)的值。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城!

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(duì)地的共模漏電流。

  

圖8.交錯(cuò)開(kāi)關(guān)時(shí)的共模電壓

  

圖9.同步開(kāi)關(guān)時(shí)的共模電壓

圖10.Single Boost共模等效電路

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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(wèn)題，兩顆主動(dòng)管可以交錯(cuò)開(kāi)關(guān)，提高等效的開(kāi)關(guān)頻率，因此同樣的電流紋波與開(kāi)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(zhuān)利壁壘[2]，導(dǎo)致使用這個(gè)拓?fù)涞拈T(mén)檻較高。

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MPPT電路英飛凌模塊解決方案

針對(duì)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(lái)越大，光伏電站對(duì)單瓦成本的要求又使得系統(tǒng)的交直流電壓越來(lái)越高。針對(duì)這種電壓愈高電流愈大的趨勢(shì)，英飛凌根據(jù)客戶的應(yīng)用需求和創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)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(shì)。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(guò)簡(jiǎn)單的拓?fù)浼纯蓪?shí)現(xiàn)1500VDC系統(tǒng)下的40A以上MPPT，開(kāi)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

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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(lái)越多，光伏系統(tǒng)中也出現(xiàn)越來(lái)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(kāi)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(duì)不同電流時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率（32kHz）也能使得濾波電感大大減小，推薦的方案見(jiàn)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(kāi)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(píng)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