一种新型逆变器优化光伏系统

近年来光伏发电在各国的普及和应用取得可观的进展。作为电能转换的关键环节，电力电子变换器对于光伏系统的整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。本文在简要回顾了太阳能市场近年来的发展之后，着重分析了逆变器>太阳能逆变器的设计需要并由此阐述了功率半导体器件与电路拓扑方面的优选原则。

随着对绿色能源不断增长的需求， 太阳能发电近年来的迅猛发展引起了各方面的广泛关注。这样的高增长率预测是基于以下几个因素：目前过剩的生产能力已经将光伏系统的平均制造成本削减了百分之二十五;光伏系统的安装价格在持续下降;世界范围内各国与地区的政府补贴。中国太阳能资源非常丰富，近期来国家的补贴扶持政策陆续推出。如其中最具影响的金太阳工程DD提出对光伏并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予50%及70%的财政补贴。

电力电子的设计对于太阳能发电系统的整体效能具有举足轻重的地位。由于光电转换板的效率很低，通常不超过百分之二十，因此太阳能逆变器的转换效率对于减小太阳能板总面积和系统总体积就至关重要。除此之外，在电能转换过程的功率损耗直接导致了半导体晶圆的温度升高，所以要通过散热器有效耗散这部分损耗能量。器件工作时的温升和热应力是影响可靠性的重要参数，换言之，减少功率变换损耗不仅节约了能源，还提高了系统可靠性，缩减了系统体积和成本。

电路拓扑

要把太阳能转换板输出的“粗电”(波动的直流电压)变成恒定可靠的正弦波交流市电，实现方式通常分为两种构架：单级变换和两级变换，也称为无直流斩波和有直流斩波式。有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。所以越来越多的厂商在开发或评估单级变换的架构，即使这样会面临更复杂的逆变器控制和潜在的更高器件耐量要求。在新的拓扑结构中，HERIC 和多电平结构吸引了业界更多的关注而且有望成为主流的拓扑形式，特别是在和电网相联的情况下。

图 1： HERIC 拓扑结构

图 2 ：三电平钳位二极管拓扑。

如图1所示，HERIC逆变器的结构是在传统的单相逆变全桥基础上新增加了一对二极管串联开关反并联作为输出。新增电路中的开关器件以工频周波速度开关，对于器件速度没有特殊需求。在应用了适当的相位控制之后，这种电路能够更加有效地处理无功功率，从而提高整个系统的效率。

三电平二极管钳位逆变器是近来受到特别关注的一种新型太阳能逆变电路拓扑，它已被成功地使用在高电压的集中式太阳能发电应用中。图2所示的三相三电平电路的每个桥臂由4只带反并联二极管的开关串联而成，另外每相有一个二极管相臂跨接在主开关之间，且其中点和直流母线的中性点直接连通。这个二极管相臂起电压钳位的作用以保证电路工作时，每个主开关器件所受最大电压应力为母线电压的一半。由于这种特殊的拓扑结构，三电平输出具有低次谐波小(交流输出更接近正弦)，电磁噪声水平低，所需开关器件的电压耐量低和级数可扩展等优点。在太阳能并网发电时，尤其适用于三相大功率高电压的场合。体现在三个方面：首先，实践证明，高压半导体开关器件的价格高于相同电流耐量一半电压耐量的低压器件的两倍，从而三电平电路的器件成本更低;其次，输出电压的谐波小，所需的滤波器磁性元件尺寸大为减小，从而降低了滤波设备成本;最后，由于开管数量的增多，即使在脉宽调制方式下，三电平的部分主开关可以在低频下开关，就可以采用相对经济的开关器件。

电力电子器件的常用种类和选型原则

用于广义的太阳能逆变器(含输入直流斩波级)的功率半导体器件主要有MOSFE是一种金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。 IGBT， Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。与此相对的IGBT则开关速度较慢，但具有较高的电流密度，从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结MOSFET介于两者之间，是一种性能价格折中的产品，在实际设计中被广为应用。为了帮助设计人员量化的分析效率和器件成本之间的关系，表一罗列了三种半导体开关器件的功率损耗和价格因素，为了便于比较，各参数均以MOSFET情况作归一化处理。

表1 常用开关器件的性能与价格对照表 (所有数字以MOSFET情况归一化)

除去以上最典型的三类全控开关器件，业界还存在像碳化硅二极管和ESBT 等基于新材料和新工艺的产品。它们目前的价格还比较高，主要应用于对太阳能发电效率有特殊要求的场合。但随着生产工艺的不断进步和器件单价的下降，这类器件也将逐步变为主流产品，甚至替代上述的某一类器件。

工业界的最新产品

由于太阳能发电市场的庞大规模与发展潜力，世界各大半导体生产厂商都竞相推出自己的产品追逐市场。近几年来，各种针对太阳能功率变换的新器件和新技术层出不穷。在如火如荼的市场竞争中，美高森美(microsemi)的太阳能系列产品以其先进工艺和应用技术而独树一帜。

混合器有多种，各自定义都有不同，但是按词意是指把两种不同的物品混合在一起的工具就叫做混合器。电视信号混合器将两套以上的不同频率的射频信号混合在一起形成一路宽带的射频信号多频道节目输出的器件为混合器。电视信号混合器是为有线电视多频道的邻频前端系统设计的专用混频设备，电路结构采用传输变压器式耦合方式，用于1000MHz邻频宽带传输系统，关键磁性材料采用原装进口，谐波输出低，反射损耗大，驻波小，相互隔离度高，插入损耗低，输入频带宽，16路信号输入，混合成1路信号输出，1路信号监测，每一路指标都相同，输入频道互换性好，19英寸标准机箱，便于安装，广泛应用于各类有线电视系统，卫星电视系统，小区闭路电视、监控系统，宾馆、酒店、部队、学校教育视听系统等，能很好的满足大、中型有线电视系统的配置要求。[p]

单相全桥混合器件模块与三电平混合器件模块

图3所示的混合单相全桥功率模块是专用于太阳能单相逆变的产品。配合以单极型调制方法，每个桥臂的两只开关管分别工作在完全相异开关频率范围。以图示为例，上管总是在工频切换通断状态，而下管总是在脉宽调制频率下动作。根据这种工作特点，上管总是选用相对便宜的门极沟道型 IGBT以优化通态损耗，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。而下管可选择非穿通型(NPT) IGBT以减少开关损耗。这种拓扑结构不但保障了最高系统转换效率还降低了整个逆变设备的成本。图4给出了不同器件搭配的转换效率曲线以印证这种太阳能功率模块的优越性。可以发现，这种混合器件配置在不同负载下能实现98%以上的转换效率。

图3 ：混合器件太阳能逆变模块。

图4 ：不同器件搭配的逆变器效率对比。

在美高森美的三电平逆变模块中，也引入了混合器件的机制。其主旨在于充分利用两端器件开关频率远高于中间相邻两器件。因而APTCV60 系列三电平模块使用两头超结MOSFET中间Trench IGBT的结构进一步提高效率。

ESBT

ESBT 是应用于太阳能的一种新型高电压快速开关器件，它兼顾了IGBT 和MOSFET 的优点，不仅电压耐量高于MOSFET，而且损耗小于快速IGBT器件。美高森美即将推向市场的ESBT 太阳能升压斩波器模块集成了碳化硅二极管和ESBT， 面向5千瓦至20千瓦的超高效率升压应用。其电压耐量为1200V， 集电极和射极间饱和通态电压很低 (接近1V)，优化开关频率在30千赫至40千赫之间，可选择单芯片模块或双芯片模块封装。实验表明，这种功率模块比目前市场上对应的IGBT模块减少40% 的损耗。根据6千瓦的参考设计实验结果，此模块在50%至满负载之间，转换效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6个百分点。

图5 ： ESBT 升压斩波模块。

旁路二极管

为防止太阳能电池在强光下由于遮挡造成其中一些因为得不到光照而成为负载产生严重发热受损，因此在太阳能电池组件输出端的两极并联旁路二极管。一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。

太阳能逆变器是太阳能交流发电系统：电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成，逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。太阳能交流发电系统是由阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能 太阳能逆变器直流发电系统则不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。

位于太阳能逆变器前端的旁路二极管，严格来说虽然不属于逆变部分，但是作为太阳能发电设备的一部分，对于逆变器运行乃至整个系统的可靠性也至关重要。美高森美新针对此应用推出两款新产品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散热封装技术—CoolRUNTM工艺，无需散热器，通过10A电流时温升小于10 C。 以30年稳定运行为目标的可靠性设计保证了100uA以下漏电流，20A 的稳态电流能力，和双向抗闪电功能。其最大特点是业界最低温升。SFDS1045是新一代肖特基二极管，也是迄今为止业界最薄的旁路二极管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封装之下，特别适合直接应用于太阳能板。

结论

提高转换效率和降低成本是太阳能逆变器设计的长期课题，也是工程设计人员面临的最大挑战。本文以如何设计优化的新一代太阳能功率变换系统出发，讨论了集中式太阳能逆变器的设计原则，典型拓扑结构和开关器件的选型方法。阐述了设计工程师如何运用器件，电路与系统各个层次上的新技术优化逆变器系统设计的方案。实践证明，美高森美的多个相关新产品能够从多个方面优化系统性能，为太阳能逆变器市场提供了高效，可靠，经济的系统解决方案。