理想二极管控制器在太阳能旁路电路的运用及输入电压范围拓展方案

在当今的太阳能光伏（PV）系统领域，模块级电力电子设备（MLPE）正发挥着日益重要的作用。它能够在诸如阴影等特定条件下显著提高发电性能，从曾经被视为成本较高的特殊应用，发展成为如今太阳能行业中发展最为迅速的细分市场之一。其中，太阳能功率优化器作为一种关键的 MLPE 设备，其主要功能是优化 PV 电池板的功率输出，进而提高发电效率。

传统的太阳能功率优化器通常采用 P - N 结二极管或肖特基二极管作为旁路电路。然而，当大电流通过这些二极管时，由于其正向压降相对较高，会产生严重的热问题，导致功率耗散增大。为了解决这一问题，业界开始采用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），因为它的压降比二极管低，能够有效克服高功率损耗的难题。此外，随着技术的发展，太阳能优化器现在能够支持更高的输入电压，在两个 PV 电池板串联的情况下，甚至可以承受高达 150V 的瞬态电压，这得益于其在给定功率等级下更低的导通损耗以及较低的系统成本。

接下来，我们详细探讨太阳能功率优化器的相关内容。从其工作模式来看，可以将功率优化器视为介于微型逆变器和串式逆变器之间的一种折衷方案。它像微型逆变器一样安装在单个太阳能电池板上，但并不负责将直流电转换为交流电。功率优化器的核心功能是实时跟踪每个太阳能电池板的最大功率，并对输出电压进行精确调节，然后将其传输至逆变器。通过这种方式，逆变器能够处理更多的电能，从而使每个太阳能电池板的发电性能得到优化，不受电池板面向太阳的角度、遮光情况以及电池板损坏等因素的影响。与未使用单独电池板级优化器的太阳能系统相比，安装了功率优化器的太阳能系统效率可提升 20% 至 30%。

对于大功率光伏逆变器而言，将多个 PV 电池板串联连接能够实现进入逆变器输入端的高直流输入电压。将优化器部署到相应的 PV 电池板上可以获得超高的效率。然而，如果任何一个太阳能电池板发生故障，由于所有 PV 电路板均以串联方式连接，PV 电池板串的电压就会崩溃。此时，输出旁路电路就发挥了重要作用，它为受损坏的优化器周围的组串电流提供了一条并行路径。

旁路电路通常有两种解决方案。一种常用的方法是使用 P - N 结二极管或肖特基二极管，这种方法成本低、易于使用，并且可根据所选二极管实现非常高的反向电压。但它也存在明显的缺点，例如高正向压降（0.5V 至 1V），会导致更高的功率耗散，同时需要更大的印刷电路板。为了克服这些缺点，另一种方法是选择使用压降更低且功率损耗更低（得益于低 RDS (on)）的 N 沟道 MOSFET。不过，这种方法也并非完美，MOSFET 需要在控制电路（通常是带有分立式 MOSFET 驱动器电路的微控制器 (MCU)）的作用下用作开关，而且 MCU 需要由 PV 电路板供电。如果 PV 电路板严重损坏或完全被阴影或遮蔽物覆盖，MCU 将无法工作，MOSFET 也无法导通。此外，在 MCU 出现故障的情况下，MOSFET 无法导通，旁路路径会通过 MOSFET 的体二极管，但该体二极管无法承受大电流，并且会因热量累积而产生高温，造成火灾风险。

为了克服基于 MCU 的开 / 关控制方案的缺点，一种智能的方法是使用可在无任何外部干预的情况下自主工作的独立 MOSFET 控制器。德州仪器的 LM74610 - Q1 系列浮动栅极理想二极管控制器就是这样一种解决方案，它通过控制外部 N 沟道 MOSFET 来模拟串联二极管的行为，可提供独立的低损耗旁路开关解决方案。这类控制器具有浮动栅极驱动架构，可在输入电压低至 MOSFET 体二极管正向压降（约为 0.5V）的情况下运行。

然而，随着光伏逆变器功率等级的提高以及更高电压 PV 电池板应用的增加，旁路电路需要满足一些特定要求才能优于传统解决方案。它需要与电压范围为 20V 至 150V 的 PV 电池板配合使用，以便可以跨多个平台扩展，并且应独立于其他电路。

为了解决上述问题，我们可以采用一种使用低压理想二极管控制器的可扩展旁路开关解决方案。该方案使用具有浮动栅极驱动架构的理想二极管控制器（例如 LM74610 - Q1）来驱动外部 MOSFET，并模拟理想二极管作为旁路电路，使其独立于其他电路。浮动栅极驱动架构可以实现通用输入范围，因为栅极驱动不以地为基准，而且该机制的独特优势在于不以地为基准，因此静态电流为零。

当太阳能电池板和太阳能设备正常运行时，旁路 MOSFET 关断，并且从理想二极管控制器的阴极到阳极引脚会出现等于最大电池板电压的反向电压。不过，从理想二极管控制器的阴极到阳极引脚的反向电压（PV + 至 PV -）可能非常高，可达到 PV 电池板和电池板串的瞬态电压。在串联使用多个具有较大输入电压范围的 PV 电池板时，为旁路电路设计最大输入电压范围可能极具挑战性。例如，LM74610 - Q1 的最大反向电压限制为 45V 瞬态，因此目前可用的理想二极管控制器器件不适用于额定输入电压为 80V 或 125V 的太阳能电池板。

为了解决这一问题，我们可以通过在检测路径中添加耗尽型 MOSFET QD 来扩展理想二极管控制器的反向电压范围，从而针对任何范围保持该电压电平。QD 的漏极连接到输出 PV +，源极和栅极分别连接到理想二极管控制器的阴极和阳极。

耗尽型 MOSFET 默认在 MOSFET VGS 为 0V 时导通，这与增强型 MOSFET 不同，后者要求 VGS 大于 MOSFET 的阈值电压才能导通。要关断耗尽型 MOSFET，VGS 需要小于 0V（典型范围为 –1V 至 –4V）。为了分析耗尽型 MOSFET 在理想二极管检测路径中的作用，我们来看以下两种情况：当 VPV– 大于等于 VPV + 时，理想二极管控制器处于正向导通状态，使功率 MOSFET Q1 和耗尽型 FET QD 保持导通状态。在这些操作条件下，我们可以计算输出电压 VOUT = VIN – (ID_Q1 RDS (on)_Q1)，近似为 VPV +。当 VPV– 小于 VPV + 时，理想二极管控制器处于反向电流阻断状态，MOSFET Q1 关断。MOSFET QD 作为源极跟随器处于调节模式，维持 VCATHODE 高于 VANODE，且 VCATHODE = VIN (VANODE)+ (VGSMAX)。因此，VCATHODE 至 VANODE 之间的电压处于 QD 的绝对最大额定值 VGSMAX 范围内（通常小于 5V），远小于 LM74610 - Q1 的 45V 最大瞬态反向电压。高反向电压 (VOUT – VIN) 由 QD 和 Q1 的漏源电压 (VDS) 维持。

在选择耗尽型 MOSFET 和功率 MOSFET 时，需要考虑以下几点：首先，Q1 和 QD 的 VDS 额定值应大于最大峰值输入电压。其次，选择 RDS (on) 时，需确保可在电源路径 MOSFET 上实现超低功耗。FET 的漏极电流 (ID) 应高于输出负载所需的最大峰值电流。开始时，可选择一个在满负载电流下能使功率 MOSFET 两端的压降为 50mV 至 100mV 的耗尽型 MOSFET。此外，RDS (on) 可以在数百欧范围选择（LM74610 - Q1 的浮动栅极驱动架构具有较大的阴极引脚对地阻抗，并且控制器的 ICATHODE 在微安范围内）。

图 1 展示了一个 PV 系统，其中太阳能功率优化器安装在单个 PV 电池板上。

图 1: 装有太阳能功率优化器的 PV 系统

图 2 展示了太阳能功率优化器的输出旁路功能，当其中一个 PV 电路板断开时，旁路功能可以为组串电流提供并行路径。

图 2：太阳能功率优化器的输出旁路功能

图 3 展示了在太阳能优化器中使用旁路开关的典型解决方案，包括使用 P - N 结二极管或肖特基二极管以及 N 沟道 MOSFET 的情况。

图 3：在太阳能优化器中使用旁路开关的典型解决方案

图 4 展示了可扩展旁路开关解决方案，通过添加耗尽型 MOSFET QD 来扩展理想二极管控制器的反向电压范围。

图 4: 可扩展旁路开关解决方案

图 5 展示了采用 40V LM74610 - Q1 控制器的 60V 旁路开关解决方案的测试结果。

图 5 : 使用 LM74610 - Q1 和耗尽型 MOSFET 的 60V 旁路电路的测试结果

使用合适规格的 MOSFET（Q1 和 QD），输入电压范围可以扩展至 FET 的 VDS 额定值。这样可以使用同一低压控制器实现高压设计。此外，扩展输入电压范围在企业、通信、电动工具和高压电池管理应用中也具有重要的实用价值。

综上所述，如果以串联方式连接的 PV 电池板或太阳能设备出现损坏或故障，必须采用适当的设计来避免出现热点和 / 或电压供应中断。这一责任通常由太阳能功率优化器或快速关断装置承担。尽管使用标准整流二极管或肖特基二极管是绕过损坏电池板的最简单解决方案，但鉴于其热效率低下，它们并非优选方案。与旁路开关解决方案相比，浮动栅极理想二极管控制器搭配 N 沟道 MOSFET 可实现更少的独立损耗，并且进一步通过添加耗尽型 MOSFET 的系统解决方案则可以提供完全可扩展输入范围的解决方案，用于应对 PV 电池板的宽输入电压范围要求。