【導(dǎo)讀】在光伏系統(tǒng)中，充電控制器的效率與體積直接影響太陽能利用率和安裝成本。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用MOSFET方案，而德州儀器（TI）推出的中壓GaN器件LMG2100，通過集成驅(qū)動(dòng)與電源環(huán)路優(yōu)化，為光伏充電控制器帶來了效率、尺寸與成本的全面突破。
在光伏系統(tǒng)中，充電控制器的效率與體積直接影響太陽能利用率和安裝成本。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用MOSFET方案，而德州儀器（TI）推出的中壓GaN器件LMG2100，通過集成驅(qū)動(dòng)與電源環(huán)路優(yōu)化，為光伏充電控制器帶來了效率、尺寸與成本的全面突破。
電子電氣設(shè)備快速發(fā)展，需要提供的功率比以往任何時(shí)候都大得多。對(duì)于許多家庭來說，要縮減電費(fèi)支出或助力實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的未來，太陽能都是不錯(cuò)的選擇，而半導(dǎo)體在其中發(fā)揮著重要作用。
適用于光伏應(yīng)用的緊湊型高效電源轉(zhuǎn)換器既能幫助用戶減少室內(nèi)占用面積，又能節(jié)省成本。氮化鎵 (GaN) 使得這一趨勢(shì)成為可能。TI 的新款中壓 GaN 設(shè)計(jì)通過集成驅(qū)動(dòng)器并優(yōu)化電源環(huán)路，使設(shè)計(jì)得以大幅簡(jiǎn)化。
圖 1 TI LMG2100
光伏充電控制器可與光伏 (PV) 陣列配合使用，采用最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 算法為離網(wǎng)和混合離網(wǎng)應(yīng)用中的電池和電氣負(fù)載發(fā)電。輸出電壓和輸出電流是經(jīng)過調(diào)節(jié)的結(jié)果?？刂破骺梢园踩卣{(diào)節(jié)電池，防止過度充電或過度放電，從而延長(zhǎng)電池壽命。光伏電控制器內(nèi)部的高效電源轉(zhuǎn)換器可以更大限度地提高太陽能發(fā)電量。
圖 2 光伏充電控制器圖
TIDA-010042 參考設(shè)計(jì)是一款光伏充電控制器，支持 15V 至 60V 輸入電壓以及 12V/24V 電池，可提供 400W 以上的功率。在包含兩相交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器的舊設(shè)計(jì)中，選擇了 CSD19531Q5A 作為主電源開關(guān) MOSFET，每相開關(guān)頻率為 180kHz。
圖 3 舊 TIDA-010042 板
在 12V 和 24V 負(fù)載條件下以 0.6 的固定占空比對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試。在 12V 負(fù)載下，峰值效率為 96.7%，歐洲加權(quán)效率約為 96.4%。在 24V 負(fù)載下，峰值效率為 97.3%，歐洲加權(quán)效率約為 96.4%。
圖 4 舊 TIDA-010042 效率曲線
GaN 器件可在相同或更低損耗下實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，只需將 MOSFET 更改為 TI 全新的中壓 GaN 器件 LMG2100 即可，這款器件具有更低的 Rds(on) 和低得多的寄生電容。具有更高開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換器可以使無源器件更小，從而減小 PCB 尺寸并降低成本。此外，更高的效率可降低熱耗散，在使用同一光伏電池板的情況下可輸出更多功率，從而節(jié)省散熱材料和電費(fèi)。
新的 TIDA-010042 使用 LMG2100 作為單相降壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)要求。通過引入 LMG2100，PCB 面積節(jié)省了約 37%，BOM 成本也下降了 37%。
圖 5. 新 TIDA-010042 板
在與采用 MOSFET 的 TIDA-010042 相同的條件下進(jìn)行測(cè)試，但改用 GaN 和 2 層 PCB 且開關(guān)頻率為 250kHz；在 12V 負(fù)載和 24V 負(fù)載下的峰值效率分別為 98.4% 和 98.5%。歐洲加權(quán)效率分別為 97.5% 和 98.2%。與 MOSFET 版本相比，峰值效率提高了至少 1.2%，歐洲加權(quán)效率提高了至少 1.1%，同時(shí) BOM 成本進(jìn)一步降低。
圖 6. 新 TIDA-010042 效率
為了充分利用 GaN 器件的功能，TI 建議使用至少 4 層 PCB，由于導(dǎo)通和關(guān)斷速度很快，因此其所需的降壓轉(zhuǎn)換器輸入環(huán)路電感極低。4 層 PCB 板非常小，因此可以通過優(yōu)化布局來幫助盡可能降低輸入環(huán)路電感，而且不會(huì)增加很多成本。通過增加 2 層，PCB 損耗和開關(guān)損耗大幅降低，同時(shí)效率進(jìn)一步提高。在 12V 和 24V 負(fù)載下，歐洲加權(quán)效率分別為 97.9% 和 98.5%，與 2 層版本相比提升了 0.3% 左右。圖 7 所示為使用 TI GaN 和 MOSFET 的光伏充電控制器之間的效率比較情況，顯示出有很大的性能提升。
圖 7. 使用 12V 負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試
圖 8. 使用 24V 負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試
圖 9. BOM 成本比較
圖 9 顯示了 BOM 成本比較情況。舊版本采用交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器和 MOSFET，需要更多無源器件來降低成本并會(huì)增大尺寸。主要的節(jié)省來自電感器和無源器件。此外，在使用 4 層電路板的情況下，GaN 器件可以在 400W 的條件下將所有熱量散發(fā)到 PCB 中，無需添加風(fēng)扇或散熱器，結(jié)溫遠(yuǎn)低于安全工作區(qū)。圖 9 中未考慮散熱材料的節(jié)省情況。
結(jié)語
TI GaN器件通過低Rds(on)、低寄生電容及高開關(guān)頻率特性，在光伏充電控制器中實(shí)現(xiàn)了效率與體積的雙重優(yōu)化。相比傳統(tǒng)MOSFET方案，其單相架構(gòu)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)通過PCB層數(shù)優(yōu)化進(jìn)一步降低損耗。數(shù)據(jù)表明，GaN技術(shù)不僅提升了太陽能轉(zhuǎn)換效率，更降低了系統(tǒng)成本與安裝空間需求，為5G基站、離網(wǎng)儲(chǔ)能等場(chǎng)景的光伏應(yīng)用提供了更優(yōu)解。
（德州儀器）
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