作者@@：花文敏@@ 来源@@：英飞凌@@工业半导体@@
MPPT（Maximum Power Point Tracking）是@@光伏逆变器系统实现最大程度利用太阳能的@@关键部分@@，不同的@@@@MPPT拓扑有各自的@@特点@@@@。本文将对比常见的@@三种@@MPPT电路@@@@，并对双@@boost (Dual Boost)的@@开关模式限制做了原理性分析@@，直观解释了@@Dual Boost 在@@MPPT中无法交错开关@@。针对不同的@@@@电压与@@电流等级@@，本文提供了英飞凌@@针对各种拓扑的@@参考器件选型方案@@，为设计高效可靠的@@@@MPPT提供便利@@。
MPPT基本原理与@@常用拓扑@@
如何将太阳能最大程度转化为电能@@，除了@@光伏电池板自身技术@@的@@发展以@@外@@，最大功率跟踪@@MPPT也是@@压榨太阳能利用率的@@重要环节@@。一般情况下@@，光照强度越大@@，光伏电池板能够输出@@的@@功率也越大@@。下图@@是@@一定光照强度下电池板的@@输出@@特性曲线@@，可以@@发现存在@@某个点的@@输出@@功率最大@@（MPP,Maximum Power Point）。
这个现象可以@@用一个简化的@@模型来解释@@，如下图@@@@。负载电阻接收的@@功率为@@：
当@@输出@@电阻@@Ro调节到与@@电源内阻@@Rint相同时@@@@，负载可以@@接收到最大功率@@。光伏系统@@中的@@@@MPPT电路@@@@就起到了调节负载端的@@输入@@阻抗@@，以@@获得最大功率的@@目的@@@@。
MPPT一般选用非隔离型的@@@@DC/DC电路@@@@，Buck、Boost以@@及@@Buck-Boost电路@@@@都有合适的@@应用@@场合@@。只不过@@Buck与@@Buck-Boost一般多用于小功率光伏系统@@中@@，在@@以@@后的@@文章中将再次提及这一部分@@，这里不多做介绍@@。中大功率的@@@@MPPT一般都是@@@@Boost电路@@@@及其衍生电路@@@@@@，除了@@Boost电路@@@@本身拓扑简单以@@外@@，逆变侧对高压直流母线的@@需求也使得升压电路@@@@更受欢迎@@。
以@@上@@是@@@@MPPT中常用的@@@@Boost电路@@@@及其衍生电路@@@@@@的@@拓扑@@，两电平的@@@@Single Boost电路@@@@结构简单@@，但是@@@@器件的@@电压应力会更大些@@；Dual Boost与@@Flying Capacitor Boost都属于三电平的@@拓扑@@，因而器件的@@电压应力减半@@，但这两种拓扑在@@光伏@@MPPT应用中还有很大的@@不同@@。
Dual Boost在@@MPPT中的@@开关模式限制@@
由于共模漏电流@@的@@问题@@[1]，Dual Boost的@@两颗主动管无法交错@@，只能同步开关@@，不能起到倍频减小电感的@@作用@@。图@@6是@@考虑@@光伏电池板对地寄生电容的@@简化系统@@，Cpv+与@@Cpv-分别是@@电池阵列正负母线对地电容@@，LP、LN是@@Boost输入@@电感@@，LA，LB和@@LC是@@逆变器的@@输出@@电感@@。地电流也就是@@共模漏电流@@如果过大的@@话@@，一方面不能满足安全标准@@，另一方面对光伏电池板本身的@@寿命也有影响@@。图@@7是@@将图@@@@6进行交流等效后的@@简化电路@@@@@@，忽略器件的@@差异@@，假设@@LP=LN=L，Cpv+=Cpv-=Cpv/2，LA=LB=LC=Lf，当@@Dual Boost采取不同的@@@@控制方式时@@@@，共模漏电流@@ic会有不同的@@@@表@@达式@@@@。
当@@Dual Boost开关时@@@@，可以@@通过叠加定理方便地写出@@iC的@@表@@达式@@：
假设@@三相电压均衡@@，那么@@vAN、vBN、vCN的@@矢量和@@为@@0，iC又可以@@简化为@@：
从这里我们可以@@看到排除掉元器件差异后@@，同样的@@拓扑下共模漏电流@@的@@值正比于正负母线的@@共模电压大小@@。为了便于大家更直观的@@理解@@，这里不再进行复杂的@@傅里叶分解@@，而是@@使用@@两张图@@来对比@@。图@@8和@@图@@@@9是@@不同工作模式下@@，vP+vN与@@直流输出@@电压的@@比值@@。由此两图@@的@@对比可以@@看出@@，最终的@@傅里叶分解结果也是@@相差一个脉冲函数@@δ(ω)。因此使用@@@@Dual Boost交错开关时@@@@的@@共模漏电流@@会比同步开关时@@@@要大得多@@，很容易超过@@VDE或@@者@@GB/T等标准的@@值@@。
这里也可以@@顺便一提@@Single Boost，从图@@@@10可以@@看出正母线的@@共模噪声源被负母线旁路@@了@@，不产生对地的@@共模漏电流@@@@。
FC Boost的@@特点@@
使用@@以@@上@@的@@方法@@，可以@@推导出@@FC Boost不存在@@共模漏电流@@的@@问题@@，两颗主动管可以@@交错开关@@，提高@@等效的@@开关频率@@@@，因此同样的@@电流纹波与@@开关频率@@下@@，电感值可以@@是@@原先的@@一半@@。但是@@@@FC Boost拓扑与@@控制较为复杂@@，还需要引入飞跨电容的@@预充电电路@@@@@@，并且还有一些专利壁垒@@[2]，导致使用@@这个拓扑的@@门槛较高@@。
MPPT电路@@@@英飞凌@@模块解决方案@@@@
针对不同的@@@@拓扑与@@功率需求@@，英飞凌@@都有高效并且可靠的@@解决方案@@@@。近些年随着光伏电池本身技术@@的@@发展@@，单板电流越来越大@@，光伏电站对单瓦成本的@@要求又使得系统的@@交直流电压越来越高@@。针对这种电压愈高电流愈大的@@趋势@@，英飞凌@@根据客户的@@应用@@需求和@@创新设计开发了各种模块产品@@。
模块产品基于英飞凌@@的@@@@Easy封装@@，有着灵活的@@@@Pin针布置与@@极小的@@杂散电感@@，能够最大程度上发挥出芯片与@@拓扑本身的@@优势@@。图@@11是@@主要的@@一些方案@@，表@@1是@@1500V系统下适用的@@模块方案的@@具体信息@@。其中@@DF4-19MR20W3M1HF_H94采用业内领先@@2kV SiC芯片技术@@@@，每个模块有@@4路@@Boost，通过简单的@@拓扑即可实现@@1500VDC系统下的@@@@40A以@@上@@MPPT，开关频率@@可推高至@@30kHz以@@上@@进一步减小电感尺寸@@。
MPPT电路@@@@英飞凌@@单管解决方案@@@@
随着高压大电流的@@@@IGBT与@@SiC单管产品越来越多@@，光伏系统@@中也出现越来越多的@@分立器件方案以@@降低整体成本@@。英飞凌@@1200V的@@TRENCHSTOP™ IGBT7 H7产品兼顾了导通损耗与@@开关损耗@@，非常适合@@Boost MPPT的@@应用@@。表@@2 MPPT IGBT单管解决方案@@是@@针对不同电流时@@@@，开关频率@@16kHz下推荐的@@@@IGBT规格@@。如果使用@@@@SiC以@@获得更优异的@@性能@@，成倍提升的@@开关频率@@@@（32kHz）也能使得滤波电感大大减小@@，推荐的@@方案见表@@@@3。
以@@40A的@@光伏电池输入@@为例@@，输入@@520V，输出@@800V，考虑@@40%的@@电流纹波情况下@@，IGBT方案与@@@@SiC方案的@@损耗与@@结温仿真结果如下@@。
可以@@看到在@@使用@@推荐的@@方案@@，IGBT工作于@@16kHz，SiC工作于@@32kHz时@@，在@@典型的@@满载工况下@@，单管的@@损耗与@@结温都有充足的@@裕量@@。因此也可以@@尝试将开关频率@@提到更高@@，以@@进一步提升功率密度@@。如果使用@@@@更大电流能力的@@器件去减少并联也是@@可以@@的@@@@，具体还要看大家自己的@@设计习惯@@。
以@@上@@是@@@@MPPT基本原理与@@英飞凌@@解决方案@@@@，各位在@@做方案选型时@@可以@@基于此去做参考@@。但由于不同的@@@@光伏电池板的@@电压@@、电流范围不同@@，不同设计习惯中的@@电流纹波也不同@@，具体的@@案例仍然需要结合具体工况去做详细评估@@。
参考文献@@
【1】 光伏逆变器地电流分析与@@抑制@@. 苏娜@@. 博士学位论文@@
【2】 DC/DC power Conversion Apparatus. T. Okuda. US Patent