简介

随着全球对光伏（PV）系统需求的增长，制造商面临在不牺牲可靠性的情况下降低成本的巨大压力。创新技术对于实现这些目标至关重要，特别是对于商业和住宅光伏系统。这些系统通常分为两种主要配置：微型逆变器和串式逆变器。

微型逆变器为每个面板配备一个逆变器，使每个面板都能以最高能量效率运行。然而，由于每个模块都需要一个交流转换器，其成本可能会过高。另一方面，串式逆变器将多个面板连接到一个中央逆变器。虽然成本更低，但当个别面板受到遮挡或其他因素影响时，串式逆变器的能量收集能力会降低。

为了弥补这一差距，优化器作为一种具有成本效益的解决方案出现，其能量收集能力可与微型逆变器媲美。这些功率模块优化每个面板的能量收集，同时保持与现有串式逆变器的兼容性。本文探讨了优化器的作用、氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）在其设计中的优势，以及像EPC9178参考设计这样的解决方案的潜力。

串式逆变器的能量收集挑战

一个典型的串式逆变器系统将多个光伏面板的直流输出串联连接，将组合电流输入中央逆变器。该设置将直流电压能量转换为交流电流，以输送到电网。然而，遮挡或不均匀的太阳辐照会显著降低整体能量收集效率。

当检查单个面板的电压-电流-功率特性时，这些挑战变得显而易见，如图1所示。遮挡的差异导致电流输出减少，进而导致面板间的功率贡献不匹配。这种不匹配会转化为大量能量损失，凸显了使用优化器来增强系统级能量收集的必要性。

优化器概述

优化器是一种安装在光伏面板与中央串式逆变器之间的直流功率转换器，其主要功能包括：

1. 最大功率点跟踪（MPPT）：确保连接的面板在其最高能量输出下运行。
2. 恒功率输出：通过调整输出电压与逆变器的电流需求相匹配来保持最大功率输出。

优化器最常见的拓扑结构是背靠背升降压转换器（图2）。无论所需的电压转换是升压、降压还是接近输入电压水平，该拓扑都表现出高效率。

优化器动态调整面板的电压和电流，以与串式逆变器的MPPT算法保持一致。它以三种模式运行：

1. 恒功率模式：在没有输出电压或电流限制的情况下，优化器的正常工作模式可实现最大功率输出。
2. 恒电流模式：当串式逆变器抽取最大电流时激活。
3. 恒电压模式：当逆变器抽取最小电流时激活。

这种相互作用确保在遵守串式逆变器操作约束的同时实现最佳能量收集。

EPC9178演示板：案例分析

EPC9178是一种专为光伏优化器设计的多功能背靠背升降压转换器。它的输入电压范围为30 V至60 V，并提供30 V、45 V和60 V的可选输出电压设置。其主要特点包括：

• 紧凑设计：EPC9178的高频操作（450 kHz）最大限度地减少了被动元件（如电感器和电容器）的尺寸，从而实现轻量化和紧凑化的外形设计。
• 高效率：凭借98%的峰值效率，EPC9178在太阳能应用中表现出行业领先的性能。
• 先进的GaN技术：EPC9178采用额定100 V的EPC2306 eGaN FET，具有非常低的3.8 mΩ导通电阻，实现低功率损耗操作，并相比硅MOSFET提高了热管理性能。
• 简化控制：采用德州仪器的LM5177控制器，集成了门驱动器和控制逻辑，简化了设计并减少了组件数量。

性能结果

EPC9178在典型光伏面板电压范围内进行了实验评估。选择输入电压为30 V、45 V和60 V且固定输出电压为30 V来展示EPC9178的效率和功率损耗。如图3所示，该转换器实现了98%的峰值效率。然而，对于60 V输入，出现了热量和电流限制。

GaN FET在光伏优化器中的作用

氮化镓（GaN）场效应晶体管正在革新电力电子领域，其优势包括：

• 更低的导通损耗：由于低导通电阻。
• 减少开关损耗：得益于低输出电容。
• 热管理：由于功率损耗减少而简化。
• 降低成本：通过更高频率运行，可减少磁性元件的尺寸和成本。

这些特性使GaN FET成为光伏优化器等硬开关应用的理想选择。它们在EPC9178等设计中的集成展示了在减少系统尺寸和成本的同时实现更高性能的潜力。

结论

通过结合eGaN^® FET和专用ASIC控制器，EPC9178实现了卓越的效率、紧凑性和可靠性。这些属性对于光伏系统至关重要，因为该行业正向更具成本效益和更高效的可再生能源解决方案迈进。

随着可再生能源领域的发展，GaN技术有望继续站在创新的前沿，为更明亮、更环保的未来提供兼具性能、可靠性和经济性的解决方案。

有关EPC9178的设计文件和更多信息，请访问：https://epc-co.com/epc/cn/产品/评估板/epc9178。

如有任何疑问或需要讨论我们的解决方案如何转变您的光伏项目，请联系我们的团队：咨询GaN专家。

Parinda Chantarasereekul, Application Engineer