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新能源之光伏功率優(yōu)化器方案淺析
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MLPE，即組件級電力電子，是太陽能光伏系統(tǒng)中的一種精細化控制設(shè)備，能夠?qū)蝹€或幾個光伏組件進行逆變、監(jiān)控、功率優(yōu)化和關(guān)斷等功能的實現(xiàn)，從而達到對光伏組件的精細化管理。逆變器屬于核心設(shè)備，我們編撰過《新能源之光伏逆變器器件選型淺析》。
圖1、MLPE產(chǎn)品技術(shù)路徑優(yōu)劣勢對比
“組串式逆變器+優(yōu)化器”的方案作為MLPE(組件級功率管理)技術(shù)路線的主流方案之一，占據(jù)MLPE市場大半數(shù)份額，今天我們分析一下優(yōu)化器的芯片及方案。
圖2、“組串式逆變器+優(yōu)化器”方案
優(yōu)化器即功率優(yōu)化器，功率優(yōu)化器是一種光伏直流輸入/輸出的組件級別DC/DC轉(zhuǎn)換器。一至兩塊光伏組件連接一個具有最大功率點跟蹤功能(MPPT，Maximum Power Point Tracking)的功率優(yōu)化器，一般安裝在組件背板位置，可根據(jù)組件串聯(lián)的需要，將光伏電流串聯(lián)并接入?yún)R流箱或光伏逆變器中，實現(xiàn)組件級別的控制。功率優(yōu)化器的推廣使用可以充分利用屋頂資源，挽回發(fā)電量損失，一般可提升5%～25%的電能產(chǎn)出，實現(xiàn)組件級快速關(guān)斷，保障運行安全，同時還可監(jiān)控與運維光伏組件，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防異常問題。
圖3、功率優(yōu)化器
功率優(yōu)化器在成本、效率、應(yīng)用場景和改造能力等方面均優(yōu)于微型逆變器方案：
首先，優(yōu)化器在成本上更具優(yōu)勢。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，優(yōu)化器通常與組串逆變器配合使用。隨著光伏裝機規(guī)模的增大，優(yōu)化器與組串逆變器的成本效益更加顯著。此外，優(yōu)化器的成本還有進一步降低的空間。
其次，微型逆變器的啟動電壓較高，功耗也較大，而優(yōu)化器與組串逆變器的理論挽回電量效率高于微型逆變器。
第三，隨著光伏與儲能技術(shù)的結(jié)合，特別是直流耦合方案的普及，儲能逆變器已經(jīng)取代了光伏逆變器的部分功能。在此背景下，“優(yōu)化器+儲能逆變器”的組合能夠滿足發(fā)電端的功率優(yōu)化、直流充電以及負載端使用等多種需求，使得優(yōu)化器的應(yīng)用場景更加豐富和靈活。
最后，優(yōu)化器還適用于對因組件失配導(dǎo)致發(fā)電量嚴重損失的老電站進行改造，這一應(yīng)用場景并不適合微型逆變器。
圖4、三種技術(shù)路徑結(jié)構(gòu)對比
功率優(yōu)化器由電流采樣單元、主控單元、電源管理單元、功率轉(zhuǎn)換單元和通訊單元組成，用到的元器件有MCU芯片、運放、升壓MOS管、隔離驅(qū)動器、濾波電容、LDO芯片、存儲芯片、變壓器、ZigBee/Sub-G/PLC通信芯片、阻容感和連接器等。
圖5、功率優(yōu)化器硬件組成結(jié)構(gòu)簡圖
以下是四款功率優(yōu)化器拆解后的硬件組成分析：1、一款SolarEdge的700W功率優(yōu)化器，型號是P700-5NC4MRX，支持125V輸入，最高輸出電壓為80V，最大輸出電流為15A，搭配SolarEdge逆變器使用。
品牌 | 型號 | 描述 |
SolarEdge | LV640305AP0 | 1顆定制主控芯片 |
兆易創(chuàng)新(GIGADEVICE) | GD25D10CT | 1顆128KB的存儲器，用于存儲固件和配置信息 |
亞德諾/美信(ADI/MAXIM) | MAX15013A | 1顆耐壓175V，2A輸出電流的高速半橋驅(qū)動器，用于組成同步升降壓H橋 |
英飛凌(INFINEON) | BSB165N15NZ3 | 2顆輸入端開關(guān)管，耐壓150V，導(dǎo)阻13.1mΩ的NMOS，支持雙面散熱，為高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器優(yōu)化，具有較低的寄生電感 |
德州儀器(TI) | UCC27211D | 1顆120V耐壓，4A峰值電流的輸出端半橋驅(qū)動器 |
英飛凌(INFINEON) | IRF6644 | 1顆輸出端開關(guān)管，耐壓100V的NMOS，導(dǎo)阻為10.3mΩ |
英飛凌(INFINEON) | BSB056N10NN3 | 1顆輸出端開關(guān)管，耐壓100V的NMOS，導(dǎo)阻5mΩ |
英飛凌(INFINEON) | BSB165N15NZ3 | 1顆輸出端開關(guān)管，耐壓150V，導(dǎo)阻13.1mΩ的NMOS，支持雙面散熱，為高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器優(yōu)化，具有較低的寄生電感 |
德州儀器(TI) | TPS40210 | 1顆52V輸入的升壓轉(zhuǎn)換器 |
- | 絲印ECI-IN-10UHC | 1顆升降壓電感 |
- | 絲印ECI-IN-OP002-B | 1顆電感，用于提取通信信號 |
- | 絲印148C | 1顆TVS二極管，用于浪涌保護 |
- | 絲印101 | 1顆100μH工字電感 |
- | - | 數(shù)十顆MLCC濾波電容 |
- | - | 1顆平面變壓器，用于各個器件的供電 |
- | - | 1顆16MHz晶振，為主控芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號 |
- | - | 阻容感、連接器、接口、灌封膠、散熱金屬塊和金屬板、結(jié)構(gòu)件和緊固件等等 |
表1、P700-5NC4MRX部分元器件
2、一款SolarEdge的330W功率優(yōu)化器，型號是OPJ300-LV，支持5-55V/12.5A輸入和5-60V/15A輸出。
品牌 | 型號 | 描述 |
SolarEdge | LV640304AP0 | 1顆定制主控芯片 |
普冉(PUYA) | P25Q40H | 1顆4Mbit Flash，用于存儲固件和配置信息 |
英飛凌(INFINEON) | IRF6646 | 3顆同步升降壓開關(guān)管，NMOS，耐壓80V，導(dǎo)阻7.6mΩ |
英飛凌(INFINEON) | IRF6668 | 1顆同步升降壓開關(guān)管，NMOS，耐壓80V，導(dǎo)阻12mΩ |
意法半導(dǎo)體(ST) | STPS20H100CG | 3顆輸入端肖特基二極管，耐壓100V，電流20A，用于防反接保護 |
德州儀器(TI) | LM5101AM | 2顆半橋驅(qū)動器，耐壓100V，支持3A驅(qū)動電流，用于同步升降壓MOS管驅(qū)動 |
沛波(TMP) | SSC-27014-100 HF | 2顆10μH電感，用于提取通信信號 |
- | 絲印TMS62478CS | 1顆降壓模塊，用于為主控芯片供電 |
- | 絲印101A | 1顆10μH電感 |
- | - | 數(shù)十顆MLCC濾波電容 |
- | - | 1顆16MHz晶振，為主控芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號 |
- | - | 阻容感、連接器、接口、灌封膠、散熱金屬塊和金屬板、結(jié)構(gòu)件和緊固件等等 |
表2、OPJ300-LV部分元器件
3、一款SolarEdge的320W功率優(yōu)化器，型號是P320-5NC4ARS，支持8-48V/11A DC輸入，以及320W 5-60/15A DC輸出，開路電壓1V。
品牌 | 型號 | 描述 |
SolarEdge | LV640304AP0 | 1顆定制主控芯片 |
聯(lián)笙電子(AMIC) | A25L040A0 | 1顆16Mbit的低電壓串行閃存，用于存儲固件和配置信息 |
英飛凌(INFINEON) | BSB104N08NP3 | 2顆輸入端開關(guān)管，耐壓80V的NMOS，導(dǎo)阻為9.3mΩ |
英飛凌(INFINEON) | BSB104N08NP3 | 2顆開關(guān)管組成H橋用于同步升降壓轉(zhuǎn)換，耐壓80V的NMOS，導(dǎo)阻為9.3mΩ |
英飛凌(INFINEON) | BSB056N10NN3 | 2顆用于輸出控制的開關(guān)管，耐壓100V的NMOS，導(dǎo)阻5mΩ |
德州儀器(TI) | TPS40210 | 1顆升壓芯片，52V輸入的升壓控制器 |
德州儀器(TI) | LM5101AM | 2顆半橋驅(qū)動器，耐壓100V，支持3A驅(qū)動電流，用于同步升降壓MOS管驅(qū)動 |
- | 絲印ECI-IN-10ULC | 2顆電感，用于提取通信信號 |
- | 絲印101 | 1顆100μH電感 |
- | - | 數(shù)十顆MLCC濾波電容 |
- | - | 1顆PCB印刷平面變壓器，磁芯通過鋼片固定 |
- | - | 1顆16MHz晶振，為主控芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號 |
- | - | 阻容感、連接器、接口、灌封膠、散熱金屬塊和金屬板、結(jié)構(gòu)件和緊固件等等 |
表3、P320-5NC4ARS部分元器件
4、一款華為的450W智能光伏優(yōu)化器，型號是SUN2000-450W-P，支持450W輸出功率，支持80V輸入電壓，最大輸出電流為15A。
品牌 | 型號 | 描述 |
海思(HISILICON) | Hi3921ERNIV100 | 1顆PLC-IoT通信芯片，用于與逆變器通信 |
恩智浦(NXP) | SC667548MLF | 1顆主控芯片 |
微芯(MICROCHIP) | 24LC64E | 1顆64 Kbit I2C 串行EEPROM |
MACRONIX | MX25V8035FM1Q | 1顆8Mb NOR FLASH |
德州儀器(TI) | UCC27201A | 1顆耐壓120V，驅(qū)動電流3A的半橋驅(qū)動器，內(nèi)部兩個驅(qū)動器為獨立輸入，芯片內(nèi)部集成自舉二極管，支持欠壓閉鎖 |
銘普(MNC) | T850CE | 1顆電力線通信變壓器 |
京泉華(JQH) | DQG-ER25-6572A | 1顆電感 |
京泉華(JQH) | DQG-EPC20-6571A | 1顆電感 |
英飛凌(INFINEON) | BSC070N10NS | 2顆降壓開關(guān)管，耐壓100V的NMOS，導(dǎo)阻7mΩ |
MPS | 絲印I7HMP | 2顆降壓轉(zhuǎn)換器 |
- | 絲印R001 | 1顆用于輸入端電流采樣的1mΩ電阻 |
- | 絲印R001 | 1顆用于輸出端電流采樣的1mΩ電阻 |
- | 絲印SBR1515C | 2顆并聯(lián)二極管，用于輸出端防反接 |
- | 絲印CHGCLB | 1顆芯片 |
- | - | 7顆輸入端MLCC濾波電容 |
- | - | 9顆輸入端MLCC濾波電容 |
- | - | 1顆變壓器，用于降壓為優(yōu)化器主板器件供電 |
- | - | 1顆25.000MHz晶振，為通信芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號 |
- | - | 阻容感、連接器、接口、灌封膠、散熱金屬塊和金屬板、結(jié)構(gòu)件和緊固件等等 |
表4、SUN2000-450W-P部分元器件
總結(jié)一下，功率優(yōu)化器上用到的元器件品牌有恩智浦、SolarEdge、海速芯、極海、海思、力合微、英飛凌、意法半導(dǎo)體、德州儀器、微芯、MPS、納芯微、亞德諾、兆易創(chuàng)新、普冉、聯(lián)笙電子、MACRONIX、宜普、沛波、銘普、科達嘉、京泉華等。光伏功率優(yōu)化器在電氣和硬件設(shè)計方面，對穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面要求會比商業(yè)級高，相應(yīng)的芯片選型和項目設(shè)計工作會更難。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數(shù)年已積累了豐富的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。
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