本次為大家?guī)淼氖?strong>《如何在太陽能應用旁路電路中使用理想二極管控制器并擴展其輸入電壓范圍》。本文將介紹一種采用浮動柵極理想二極管控制器的可擴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、快速關斷和 PV 接線盒等太陽能電源應用中旁路開關需要寬電壓支持的相關難題。

引言

在太陽能光伏 (PV) 系統(tǒng)中，模塊級電力電子設備 (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用，現(xiàn)在則是太陽能行業(yè)中發(fā)展最快的細分市場之一。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 結二極管或肖特基二極管作為旁路電路。當大電流流過二極管時，由于二極管的正向壓降相對較高，產生的高功率耗散會導致嚴重的熱問題。一種改進的方法是使用壓降比二極管低的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (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 150V 瞬態(tài)電壓）。在本文中，我們將討論一種采用浮動柵極理想二極管控制器的可擴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、快速關斷和 PV 接線盒等太陽能電源應用中旁路開關需要寬電壓支持的相關難題。

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換為交流電無關。功率優(yōu)化器實時跟蹤每個太陽能電池板的最大功率，并對輸出電壓進行調節(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，例如高正向壓降（0.5V 至 1V），會導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，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：

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

MCU 需要由 PV 電路板供電。如果 PV 電路板嚴重損壞或完全被陰影或遮蔽物覆蓋，則 MCU 將無法工作，并且 MOSFET 無法導通。

在 MCU 出現(xiàn)故障的情況下，MOSFET 無法導通，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生高溫，造成火災風險。

圖 3：在太陽能優(yōu)化器中使用旁路開關的典型解決方案

為克服基于 MCU 的開/關控制方案的缺點，一種智能方法是使用可在無任何外部干預的情況下自主工作的獨立 MOSFET 控制器。德州儀器的 LM74610-Q1系列浮動柵極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，可提供獨立的低損耗旁路開關解決方案。這類控制器具有浮動柵極驅動架構，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展，并且它應獨立于其他電路。

使用低壓理想二極管控制器的可擴展旁路開關解決方案

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

當太陽能電池板和太陽能設備正常運行時，旁路 MOSFET 關斷，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: 可擴展旁路開關解決方案

LM74610-Q1 反向電壓范圍擴展的工作原理

耗盡型 MOSFET 默認在 MOSFET VGS 為 0V 時導通，這與增強型 MOSFET 不同，后者要求 VGS 大于 MOSFET 的閾值電壓才能導通。要關斷耗盡型 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行情況：

當 VPV– 大于等于 VPV+ 時：理想二極管控制器處于正向導通狀態(tài)，使功率 MOSFET Q1 和耗盡型 FET QD 保持導通狀態(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 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 關斷。MOSFET QD 作為源極跟隨器處于調節(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（通常小于 5V），遠小于 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：

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) 應高于輸出負載所需的最大峰值電流。開始時，可選擇一個在滿負載電流下能使功率 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 的浮動柵極驅動架構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）。

圖 5 展示了采用 40V LM74610-Q1 控制器的 60V 旁路開關解決方案的測試結果。

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

使用合適規(guī)格的 MOSFET（Q1 和 QD），輸入電壓范圍可以擴展至 FET 的 VDS 額定值。這樣可以使用同一低壓控制器實現(xiàn)高壓設計。此外，擴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用中也非常有用。

結語

如果以串聯(lián)方式連接的 PV 電池板或太陽能設備出現(xiàn)損壞或故障，必須采用適當?shù)脑O計來避免出現(xiàn)熱點和/或電壓供應中斷。這一責任通常由太陽能功率優(yōu)化器或快速關斷裝置承擔。盡管使用標準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。與旁路開關解決方案相比，浮動柵極理想二極管控制器搭配 N 溝道 MOSFET 可實現(xiàn)更少的獨立損耗，并且進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展輸入范圍的解決方案，用于應對 PV 電池板的寬輸入電壓范圍要求。