MPPT常用拓撲原理與英飛凌實現(xiàn)方法

MPPT（Maximum Power Point Tracking）是光伏逆變器系統(tǒng)實現(xiàn)最大程度利用太陽能的關(guān)鍵部分，不同的MPPT拓撲有各自的特點。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撲的參考器件選型方案，為設(shè)計高效可靠的MPPT提供便利。

MPPT基本原理與常用拓撲

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。下圖是一定光照強度下電池板的輸出特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)存在某個點的輸出功率最大（MPP,Maximum Power Point）。

圖1.光伏電池板輸出特性曲線

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

當輸出電阻Ro調(diào)節(jié)到與電源內(nèi)阻Rint相同時，負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電路本身拓撲簡單以外，逆變側(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撲，兩電平的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都屬于三電平的拓撲，因而器件的電壓應(yīng)力減半，但這兩種拓撲在光伏MPPT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，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+與Cpv-分別是電池陣列正負母線對地電容，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大的話，一方面不能滿足安全標準，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/2，LA=LB=LC=Lf，當Dual Boost采取不同的控制方式時，共模漏電流ic會有不同的表達式。

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

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，同樣的拓撲下共模漏電流的值正比于正負母線的共模電壓大小。為了便于大家更直觀的理解，這里不再進行復雜的傅里葉分解，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)果也是相差一個脈沖函數(shù)δ(ω)。因此使用Dual Boost交錯開關(guān)時的共模漏電流會比同步開關(guān)時要大得多，很容易超過VDE或者GB/T等標準的值。

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母線旁路了，不產(chǎn)生對地的共模漏電流。

圖8.交錯開關(guān)時的共模電壓

圖9.同步開關(guān)時的共模電壓

圖10.Single Boost共模等效電路

FC Boost的特點

使用以上的方法，可以推導出FC Boost不存在共模漏電流的問題，兩顆主動管可以交錯開關(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拓撲與控制較為復雜，還需要引入飛跨電容的預充電電路，并且還有一些專利壁壘[2]，導致使用這個拓撲的門檻較高。

MPPT電路英飛凌模塊解決方案

針對不同的拓撲與功率需求，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)揮出芯片與拓撲本身的優(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)，每個模塊有4路Boost，通過簡單的拓撲即可實現(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，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，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)計習慣。

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)計習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評估。

參考文獻

【1】?? 光伏逆變器地電流分析與抑制. 蘇娜. 博士學位論文

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