隨著儲能系統價格變得更實惠，加上電價不斷上漲，消費者對再生能源的需求日益增加。許多住宅現在使用的是組合太陽能發電和電池儲能系統，以便在太陽能不足以支援需求時提供能源。圖 1 說明住宅的應用實例，圖 2 顯示典型的太陽能逆變器系統如何與儲能系統整合。
圖 1：住宅太陽能發電和儲能系統安裝
圖 2：附儲能系統的典型太陽能逆變器系統
在最佳情況下，這種類型的系統具有用於 AC/DC 和 DC/DC 轉換的高效電源管理元件和高功率密度 (具有最小的解決方案尺寸)，其不僅具極高的可靠性 (具最低損耗)，也能夠加快上市時間。然而，這些需求並不是都可以同時實現，您需要在這些子區塊的最佳電源轉換拓撲上取捨。
AC/DC 和 DC/DC 降壓和升壓電源轉換器的現有電源拓撲的共同點是交錯執行半橋或轉換器分支以提高 DC/DC 轉換器功率位準，或是藉由放置三個以 120 度相移執行的分支來實現三相運作 AC/DC 逆變器或功率因數校正級。圖 3 顯示五種電源拓撲的簡化原理圖。
圖 3：半橋和分支等效的電源拓撲
• 拓撲編號 1：在二級轉換器拓撲中，脈衝寬度調變 (PWM) 訊號互補 (具有死區延遲以避免因切換訊號重疊而造成直通) 到電源裝置 Q1 和 Q2。對於輸出端的正弦波，在 Q1 處應用的工作週期 >50%。對於輸出端的負正弦波，Q2 具有 >50% 的工作週期。控制輸出功率是一個簡單的概念，但線路濾波器之前的輸出訊號具有完整的匯流排電壓擺幅，需要更大的濾波器來減少電磁干擾。進入濾波器的漣波頻率即是 PWM 頻率，會影響濾波器的大小。
三階拓撲允許使用較小的被動元件，並且與二階轉換器相比具有更低的 EMI。有四個三階拓撲：
• 拓撲編號 2：T 型拓撲以電晶體圍繞中性點排列的方式命名 (VN)。Q1 和 Q2 在 DC 鏈路之間連結，而 Q3 和 Q4 與 VN 串聯。濾波器看到的漣波頻率等於應用於開關 Q1 至 Q4 的 PWM 頻率。這定義了濾波器元件尺寸，以在 AC 線路頻率下實現所需的低總諧波失真。Q1 和 Q2 可以看到完整的匯流排電壓，對於系統中的 800-V DC 鏈路電壓，額定電壓為 1,200 V。由於 Q3 和 Q4 連接到 VN，因此它們只能看到一半的匯流排電壓，在 800-V DC 鏈路電壓系統中的額定電壓可以達到 600 V，以節省此類型轉換器的成本。查看 10-kW、雙向三相三級 (T 型) 逆變器和 PFC 參考設計。
• 拓撲編號 3：在主動中性點鉗位 (ANPC) 轉換器拓撲中，VN 與主動開關 Q5 和 Q6 相連，並將 VN 設定在 DC 鏈路電壓之間。與 T 型轉換器一樣，濾波器看到的漣波頻率等於定義 AC 線路濾波器大小的 PWM 頻率。這種架構的優點在於所有開關的額定電壓都可以是最大 DC 鏈路電壓的一半；在 800-V 系統中，您可以使用 600-V 額定開關，這對成本會有正面影響。關閉此轉換器時，務必將每個開關的所有電壓限制為 DC 鏈路電壓的一半。換句話說，控制微控制器 (MCU) 需要處理關斷順序。TI 的 TMS320F280049C 和 C2000TM 產品系列中的其他裝置具有可配置邏輯，其允許在硬體中實現關機邏輯以卸載 MCU 的軟體任務。查看基於 GaN 的 11-kW、雙向、三相 ANPC 參考設計。
• 拓撲編號 4：中性點鉗位 (NPC) 轉換器拓撲衍生自 ANPC 拓撲。在這裡，VN 透過二極體 D5 和 D6 連接，並將 VN 設定在 DC 鏈路電壓之間。濾波器看到的輸出漣波頻率等同於定義了 AC 線路濾波器大小的 PWM 頻率。與 ANPC 拓撲一樣，所有開關的額定電壓可以是最大 DC 鏈路電壓的一半，但是沒有兩個開關，而是有兩個快速二極體。與 ANPC 拓撲相比，NPC 拓撲的成本略低，但效率也略低。關斷順序的需求也和 ANPC 拓撲相同。從上面提到的 ANPC 參考設計衍生出 NPC 拓撲很容易。
• 拓撲編號 5：飛馳電容器拓撲已告訴您這個轉換器的大小事；電容器連接到由 Q1 和 Q2 以及 Q3 和 Q4 實現的堆疊半橋的開關節點。電容器兩端的電壓限制為 DC 鏈路電壓的一半，並在 V+/V– 之間進行週期性轉移；並會在轉移時進行電力傳輸。此拓撲於正弦波和負正弦波期間使用所有開關。在此拓撲中，濾波器看到的輸出漣波頻率是 PWM 頻率的兩倍，假定飛馳電容器的每個週期偏移產生更小尺寸的 AC 線路濾波器。同樣，所有開關的額定電壓都可以是最大 DC 鏈路電壓的一半，對於成本方面會有正面影響。
表 1 列出不同拓撲結構的優點和挑戰。
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2L 2L 中的 TIDA-01606 |
T 型 3L TIDA-01606 |
ANPC TIDA-010210 |
NPC 3L 從 ANPC 衍生 |
FC3L 飛馳電容器 3L |
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優點 |
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挑戰 |
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表 1：不同轉換器拓撲結構的優點和挑戰
與傳統二階轉換器相比，所有四種三階拓撲在功率密度 (具有最小解決方案尺寸)、高度可靠的運作和快速上市時間方面都具有明顯的優勢。在使用寬頻隙裝置和高性能 MCU下， 能以相似的成本，更進一步擴增這些優勢。
其他資源
• 進一步了解如何加速太陽能系統的開發。
• 查看適用於 3 種電動車充電站的雙向雙主動橋式參考設計。
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