说明
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DesignGuide:TIDA-010933
基于GaN的1.6kW双向微型逆变器参考设计
该参考设计实现了基于GaN的四通道1.6kW单相双向微型逆变器，支持四个相同的通道，直流侧电压高达60V，电流为±14A.这些通道可以连接到光伏（PV）电 池板或48V电池储能系统（BESS）.在高压侧，该参考设计连接到单相交流电网，该参考设计通过双向固定频率CLLLC转换器将低压侧和高压侧进行隔离.该参考 设计的控制算法在C2000MCU中实施.
设计文件卖TMCS1123.AMC3330 LMG2100R044、LMG3522R050 产品文件夹 产品文件卖AMC1311、ISO6741.UCC21540 产品文件卖TMDSCNCD280039C 工具文件夹
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特性
应用
微型逆变器 电源转换系统（PCS）*
TEXASINSTRUMENTS
四个通道，用于连接PV或48VBESS 高功率密度，高达1kW/L 在单个控制器中实施数字控制：TMS320F280039C 支持双向功率流和无功功率补偿工业级温度范围（-40°C至85°C）
1系统说明
为了满足能源可持续性和安全性的要求，人们对可再生能源（如太阳能）和储能系统的需求呈加速趋势.在住宅使用案例中，微型递变器能够在成本和效率以及简单的终端用户安装方面达到很好的平衡.从另一方面来看，由于此终端设备中缺少双向转换器，储能系统成为现有微型逆变器的一大难题.
此参考设计旨在展示具有完全双向功率流的4通道微型递变器将PV输入功能与48VBESS相结合的可行实施方案.
此设计包含三个主要级：
PV或电池输入，使用具有单个MPPT功能的直流/直流转换器隔离式电容器-电感器-电感器-电感器-电容器（CLLLC）转换器 图腾柱直流/交流转换器
每一级均基于GaN技术，可实现高功率密度和效率.
此设计包含四个输入直流/直流转换器、一个隔离式CLLLC转换器和一个图腾柱直流/交流转换器.电路板上的直流/直流转换级都基于TI的顶部冷却GaN器件，并放置在电路板的底部.这样可以将功率损耗分散到散热器中.
直流/交流部分包含直流链路电解电容器、图腾柱直流/交流转换器、预充电电路和EMI滤波器.图腾柱直流/交流的高频分支基于TI的顶部冷却GaN器件.
电路板安装在铝散热器上方，该散热器通过热界面材料与GaNFET连接.该设计应在静态冷却条件下工作，电路的功率密度为每升1kW. 板尺寸为28mm×200mm×200mm.系统整体尺寸为40mm×200mm×200mm，因此体积为1.6升.计算得出
1.1具有直流/直流转换器的PV或电池输入
该设计具有四个输入级，其中每个输入级可作为以下器件独立运行：
直流/直流升压转换器，可将电源从输入端传输到内部75V电源轨直流/直流降压转换器，可将电源从75V电源轨传输到输入端
这些输入级控制输入电压和电流，并且可为每个PV电池板实施最大功率点跟踪（MPPT)算法.每个输入都有三 种可能的使用案例：
带单个MPPT的PV电池板连接电池充电电池放电
图1-1展示了输入通道方框图.
图1-1.输入通道方框图
1.2隔离和CLLLC转换器
由于以下各种原因，微型逆变器需要在PV电池板和交流电网之间进行隔离：
电气安全 减少电池板和电网之间的共模电流流动高输入或输出电压比
从安全的角度来看，终端用户会触摸PV电池板，因此隔离可以减少触电危险.由于PV表面暴露在接地屋顶或附高寄生电容（高达200nF/kW）-如果没有充分降低转换器的共模电压，这个寄生电容会导致高共模电流流入系 近的其他表面上方，因此共模电流是PV应用中众所周知的挑战.这种巨大的表面会导致电池板和地面之间产生统.显著减少系统中流动的寄生电流的一种常见策略是在电池板和电网之间增加隔离级.
图1-2.PV电池板寄生电容
MicroInverter
图1-3.阻断共模噪声
使用隔离式变压器的第三个原因是需要高效地将电源从75V转换为400V.
当使用非隔离式直流/直流转换器从75V转换为400V时，会出现占空比很短以及电感器和开关损耗较高等问题.为了提高转换级的效率和热性能，使用了变压器CLLLC.
CLLLC转换器的输入和输出电压分别通过PV或电池输入和直流/交流转换器来固定和调节.这意味着此级无需进 行电压调节.
为了满足这些要求，选择了具有固定频率的CLLLC拓扑，从而实现小磁体尺寸和高效率.此转换器可以进行优化，从而在最有利的条件下运行，并在整个负载范围内实现零电压开关（ZVS）.
侧时，在高压侧实施SR.在反向功率流中，激励位于高压侧，SR在低压侧. 为了提高效率并提供双向功率流，此设计使用具有同步整流（SR)功能的CLLLC拓扑.当电力从低压侧流向高压
图1-4.CLLLC方框图
可以通过两种可能的配置来驱动CLLLC转换器中的变压器：全桥配置和半桥配置.全桥配置所需的开关数量是半 桥配置的两倍.相反，在相同的功率级别下，半桥的电流是全桥的两倍.
低压侧电流较高，因此实施全桥转换器是最佳选择.高压侧的电压电平更高，电流电平更低，因此半桥转换器是更合适的设计.
1.3直流/交流转换器
在此微型逆变器参考设计中选择了图腾柱拓扑.与其他直流/交流拓扑相比，图腾柱拓扑表现出更高的性能和更低 的成本.图腾柱的一个缺点是，与其他直流/交流拓扑（如H桥、双极或高效可靠的逆变器概念（HERIC）相比，图腾柱具有高共模噪声.相反，电池板和电网之间的隔离可以显著降低从直流到交流的漏电流.图腾柱设计为以连续导通模式（CCM)运行.由于纹波电流峰峰值较低，与不连续导通模式（DCM）相比，这可以降低导通损耗并 获得更好的EMI性能.图1-5显示了此拓扑的方框图.
