低功率商業和住宅光伏系統主要有兩種配置。第一種配置是微型逆變器，在每個安裝的面板上使用一個逆變器，確保每個面板都能充分發揮其能源潛力。第二種配置是串聯逆變器，它將多個面板連接在一起，并接入一個中心逆變器。然而，當一個或多個面板被遮擋時，這種設置在能量收集方面表現不佳。

為了解決這個問題，出現了一種創新的增強解決方案：優化器。這是一種優化每個面板能量收集的電力模塊。這些優化器的出現是為了與微型逆變器的能量收集能力競爭。微型逆變器的主要缺點是其成本，因為每個電力模塊都需要一個交流轉換器。優化器可以改善成本結構，因為它們的設計顯著簡單，并且與現有的串聯逆變器兼容。

本文概述了光伏優化器的工作原理，以及轉換器如何從eGaN FET等新技術中受益。氮化鎵(GaN)FET在許多硬開關應用中表現出優越的性能。其高可靠性使其成為優化器的理想選擇。此外，GaN FET有助于縮小轉換器的體積，從而降低成本。

串聯逆變器能量收集概述

光伏系統的常見配置是串聯逆變器系統，如圖1所示。在該系統中，來自多個光伏面板的直流輸出串聯連接，并輸入到一個中央串聯逆變器中。串聯逆變器將這些直流電壓轉換為交流電流，接入電網。圖1上方的圖表顯示了基于陰影和均勻太陽輻照度條件下的各個光伏面板的電壓-電流功率特性;

陰影越少，電流越高。下方圖表中的紅色曲線表明了光伏串的可用功率，多個峰值對應于每個面板的電流和電壓貢獻。將面板串聯連接使得所有面板都共享相同的電流，這使得無法同時在最大功率點上運行所有面板，從而無法實現能量收集的最大化。綠色曲線代表如果每個面板在最大功率點上運行，組合光伏面板可以產生的總潛在功率。兩者之間的差異顯著，顯示了需要優化器來提高系統級能量收集能力。

優化器概述

優化器是一個直流電力轉換器，插入在光伏面板和中央串聯逆變器的串聯連接之間。它有兩個主要功能：1)跟蹤附加光伏面板的最大功率點;2)將該功率作為恒定功率源傳遞給串聯連接。優化器最受歡迎的拓撲結構是背靠背降壓-升壓轉換器，如圖2所示。

背靠背降壓-升壓轉換器因其能夠在低電壓轉換比下以高效率運行而受到歡迎。

優化器的工作原理是尋找面板的最大功率點，并調整電壓和電流以匹配逆變器所需的電流。圖3展示了優化器在圖1上方圖表中不同功率水平下的輸出特性。黑色虛線表示逆變器所需的電流，它自身維持最大功率點跟蹤器(MPPT)。

優化器的基本工作模式有三種：1)恒定電流，2)恒定功率，3)恒定電壓。恒定功率模式是優化器的正常工作模式，而恒定電壓和恒定電流模式則基于轉換器的限制，此時優化器不再從面板中收集最大可用功率。恒定電流模式發生在串聯逆變器試圖從優化器電路中提取超過其能提供的電流時，而恒定電壓模式發生在串聯逆變器提取的電流過少時。當串聯逆變器使用其MPPT算法找到優化器組合輸出的最大功率時，系統是優化的，遵循圖1下方圖表中的綠色曲線，并且圖3中的黑色虛線與所有面板的恒定功率曲線相交。

演示板概述

EPC9178是一款多功能的四開關背靠背轉換器，能夠在降壓和升壓模式下運行，并可配置為光伏優化器。其輸入電壓范圍為30 V至60 V，具有三個可選擇的輸出電壓選項：30 V、45 V和60 V。輸入和輸出電流均由控制器限制為15 A，用戶可以啟用或禁用輸出電流限制。EPC9178在所有工作模式下以固定的切換頻率450 kHz運行。這種高頻率有助于減少被動元件(如電感器和母線電容器)的體積，從而實現緊湊設計，如圖4所示。轉換器的小體積和輕量化設計便于安裝和維護，促進了光伏應用的行業領先功率密度。盡管體積小，EPC9178仍可實現高達98%的峰值效率。

EPC9178高效率和功率密度的關鍵在于其使用了額定為100 V的EPC2306 GaN晶體管，其導通電阻低至3.8 mΩ。EPC2306以3 x 5 mm的PQFN封裝提供，并基于經過驗證的可靠eGaN FET技術。其低導通電阻最小化導通損耗，而低輸出電容(COSS)則實現了較短的開關時間和降低的開關損耗。這種低導通和開關損耗的組合提高了整體效率，并簡化了與等效硅MOSFET相比的熱管理。

EPC9178使用德州儀器的LM5177集成電路，將控制器和四個柵驅動器集成到單個芯片中。這種設計使得解決方案簡單、緊湊，元件數量最少。

實驗結果

EPC9178根據典型的光伏面板電壓范圍進行了實驗評估。評估了三個輸入電壓：30 V、45 V和60 V，轉換器輸出固定電壓30 V。圖5顯示了EPC9178的測量效率和功率損耗，峰值效率達到98%。對于60 V輸入，施加了熱量和電流限制。

總結

EPC9178配備高性能、額定為100 V的低RDS(on) EPC2306 GaN FET和德州儀器的LM5177控制器，提供了卓越的效率和緊湊的設計。這些特性使其成為對高效率、小尺寸和長壽命有需求的應用(如光伏系統中的優化器)的理想選擇，實驗單元證明了這一點。