介紹

隨著全球對光伏（PV）系統需求的增長，製造商面臨降低成本同時保持可靠性的巨大壓力。創新技術對於實現這些目標至關重要，尤其是在商業和住宅光伏系統中。這些系統通常分為兩種主要配置：微型逆變器和串式逆變器。

微型逆變器為每個面板配備一個逆變器，使每個面板都能在其峰值能量潛力下運行。然而，由於每個模組都需要一個交流轉換器，其成本可能非常高昂。另一方面，串式逆變器將多個面板連接到中央逆變器上。雖然成本效益高，但在單個面板受到遮蔽或其他因素影響時，串式逆變器的能量收集能力會降低。

為了解決這一問題，優化器作為一種具成本效益的解決方案出現，其能量收集能力可與微型逆變器媲美。這些功率模組可對每個面板進行能量優化，同時保持與現有串式逆變器的兼容性。本文探討了優化器的作用、GaN FET 在其設計中的優勢，以及 EPC9178 參考設計的潛力。

串式逆變器的能量收集挑戰

一個典型的串式逆變器系統將多個光伏面板的直流輸出串聯起來，將合併的電流輸入中央逆變器。此設置將直流電壓能量轉換為交流電流以供電網輸送。然而，遮蔽或不均勻的太陽輻照會顯著降低整體能量收集效率。

當檢查單個面板的電壓-電流-功率特性時，挑戰變得顯而易見，如圖 1 所示。遮蔽的變化會導致電流輸出減少，進而造成面板之間的功率貢獻不匹配。這種不匹配會轉化為大量的能量損失，突顯出需要通過優化器來提升系統層級的能量收集能力。

優化器概述

優化器是一種安裝在光伏面板與中央串式逆變器之間串接連接的直流功率轉換器。其主要功能包括：

1. 最大功率點追踪（MPPT）：確保所連接的面板在其峰值能量輸出下運行。
2. 恆定功率輸送：通過調整輸出電壓以匹配逆變器的電流需求來維持最大功率輸送。

優化器最常見的拓撲結構是背對背升降壓轉換器（圖 2）。該拓撲無論目標電壓轉換是升壓、降壓還是接近輸入電壓，都能顯示出高效率。

優化器動態調整面板電壓和電流以與串式逆變器的 MPPT 演算法對齊。其運行分為三種模式：

1. 恆定功率模式：在沒有輸出電壓或電流限制的情況下，優化器的正常運行模式，可實現最大功率輸出。
2. 恆定電流模式：當串式逆變器抽取最大電流時啟動。
3. 恆定電壓模式：當逆變器抽取最小電流時啟動。

這種相互作用確保在遵守串式逆變器運行限制的同時實現最佳能量收集。

EPC9178 演示板：案例研究

EPC9178 是一款專為光伏優化器設計的多功能背對背升降壓轉換器。其運行電壓範圍為 30 V 至 60 V，並提供 30 V、45 V 和 60 V 的可選輸出電壓設置。其主要特性包括：

• 緊湊設計：EPC9178 的高頻運行（450 kHz）可減小被動元件（如電感器和電容器）的尺寸，從而實現輕便且緊湊的外形。
• 高效率：最高效率達 98%，展示了在太陽能應用中的業界領先性能。
• 先進的 GaN 技術：EPC9178 採用了 100 V 額定的 EPC2306 eGaN FET，具有極低的 3.8 mΩ 導通電阻，實現了低功率損耗和優化的熱管理，相較於矽 MOSFET 有顯著改進。
• 簡化控制：配備德州儀器的 LM5177 控制器，整合了閘極驅動器和控制邏輯，簡化了設計並減少了元件數量。

性能結果

EPC9178 在典型光伏面板電壓範圍內進行了實驗評估，選定輸入 30 V、45 V 和 60 V 以及固定輸出 30 V，展示其效率和功率損耗。正如圖 3 所示，該轉換器的峰值效率達到 98%。然而，對於 60 V 輸入，出現了熱量和電流的限制。

GaN FET 在光伏優化器中的作用

氮化鎵（GaN）FET 正在改變功率電子學，帶來以下優勢：

• 降低導通損耗：由於低導通電阻。
• 減少開關損耗：由於低輸出電容。
• 熱管理：由於功率耗散減少而得以簡化。
• 成本降低：通過高頻運行減小磁性元件的尺寸和成本。

這些特性使 GaN FET 成為光伏優化器等硬開關應用的理想選擇。其整合於如 EPC9178 的設計中展示了在提升性能的同時減小系統尺寸和成本的潛力。

結論

通過結合 eGaN^® FET 和專用 ASIC 控制器，EPC9178 實現了卓越的效率、緊湊性和可靠性。這些特性對於隨著行業向更具成本效益和效率的可再生能源解決方案發展的光伏系統至關重要。

隨著可再生能源行業的發展，GaN 技術有望繼續處於創新的最前沿，提供在性能、可靠性和經濟性之間達到平衡的解決方案，為更光明、更綠色的未來鋪平道路。

有關 EPC9178 的設計檔案和更多信息，請訪問：https://epc-co.com/epc/tw/產品/評估板/epc9178。

如有疑問或希望討論我們的解決方案如何改變您的光伏項目，請聯繫我們的團隊：請教 GaN 專家。

Parinda Chantarasereekul, Application Engineer