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基于氮化镓的单级三相并网光伏逆变器的设计与验证
Design and Verification of a GaN-Based, Single Stage, Grid-Connected Three-Phase PV Inverter
| 作者 | Orkhan Karimzada · Giulio De Donato |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 光伏逆变器 GaN器件 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓 光伏逆变器 效率 原型 可再生能源技术 |
语言:
中文摘要
本研究介绍了一款基于氮化镓(GaN)的三相光伏(PV)逆变器的研发情况,重点关注氮化镓技术在太阳能应用中的可行性、可靠性和效率。该研究系统地探索了氮化镓场效应晶体管(FET)的应用,特别是其在提高光伏系统效率和功率密度方面的作用。通过全面的实验和设计优化,确定了一种有前景的逆变器拓扑结构并进行了深入分析,最终制成的样机实现了高达 96% 的峰值效率。研究的关键内容包括对氮化镓场效应晶体管的性能进行基准测试、设计并测试用于并网的 LCL 滤波器、考虑三相逆变器的印刷电路板(PCB)设计,以及从功率损耗、效率和热性能等方面对逆变器的性能进行全面评估。尽管存在实验室条件的限制,但逆变器样机的成功构建和测试不仅证明了与传统的基于硅的逆变器相比,氮化镓逆变器的可行性,还为可再生能源技术的发展做出了重要贡献,为构建更高效、更可持续的电力系统铺平了道路。
English Abstract
This research presents the development of a three-phase GaN-based photovoltaic (PV) inverter, focusing on the feasibility, reliability, and efficiency of gallium nitride (GaN) technology in solar applications. The study systematically explores the use of GaN field-effect transistors (FETs), particularly in enhancing the efficiency and power density of PV systems. A promising inverter topology was identified and extensively analyzed through comprehensive experiments and design optimizations, resulting in a prototype that achieved a remarkable peak efficiency of 96%. Key aspects of the research included performance benchmarking of GaN FETs, design and testing of LCL filters for grid connection, PCB design considerations for 3-phase inverters, and thorough evaluation of the inverter's performance in terms of power losses, efficiency, and thermal capability. The successful construction and testing of the inverter prototype, despite laboratory constraints, not only demonstrates the viability of GaN over traditional silicon-based inverters but also significantly contributes to advancing renewable energy technologies, paving the way for more efficient and sustainable power systems.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于GaN(氮化镓)技术的三相光伏逆变器研究具有重要的战略参考价值。该研究实现的96%峰值效率虽然与我司现有高端产品相当,但其核心价值在于通过GaN器件显著提升了功率密度,这直接契合我们在分布式光伏和户用储能领域对小型化、轻量化产品的迫切需求。
从技术成熟度评估,该研究已完成从器件选型、LCL滤波器设计到PCB布局的系统性验证,并成功构建了原型样机,表明GaN技术在光伏逆变器应用中已跨越概念验证阶段。这对我司具有双重意义:一是可加速我们在GaN逆变器产品线的研发进程,特别是在高频化设计和热管理方面可借鉴其经验;二是为我们的储能变流器(PCS)产品升级提供了技术路径,GaN的快速开关特性能有效降低储能系统的转换损耗。
然而,必须关注的技术挑战包括:GaN器件的成本仍显著高于传统IGBT,这将影响产品在价格敏感市场的竞争力;高频开关带来的EMI问题需要更精细的电磁兼容设计;GaN器件的长期可靠性数据积累不足,这对我们承诺的25年产品寿命构成验证压力。
建议我司将GaN技术优先应用于高端户用储能逆变器和工商业微网系统,这些场景对功率密度和效率的溢价接受度更高。同时,应与GaN器件供应商建立深度合作,参与上游技术标准制定,确保在下一代功率半导体技术演进中保持领先地位。