新型逆变器优化光伏系统设计

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MOSFET， 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。概括地说，选用哪类器件取决于成本，效率的要求并兼顾开关频率。如果要求硬开关在100千赫以上，一般只有MOSFET能够胜任。在较低频段如15千赫，如没有特殊的效率要求，则选择IGBT。在此之间的频率，则取决于客户对转换效率和成本的具体要求。系统效率和成本之间作为一对矛盾，设计工程师将根据其相应关系对照目标系统要求以确定最贴近系统要求的元件型号。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。超结MOSFET 工艺目前没有超过900V 的器件。

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。

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（Trench） IGBT以优化通态损耗，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。

来源：维库开发网