中南覆鸥人力资源有限公司

中心議題：

• 功率器件的選型
• 單相無變壓器式光伏逆變器拓?fù)浣榻B
• 三相無變壓器光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹
• 下一代光伏逆變器拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)思路介紹

1 引言
對(duì)于傳統(tǒng)電力電子裝置的設(shè)計(jì)，我們通常是通過每千瓦多少錢來衡量其性價(jià)比的。但是對(duì)于光伏逆變器的設(shè)計(jì)而言，對(duì)最大功率的追求僅僅是處于第二位的，歐洲效率的最大化才是最重要的。因?yàn)閷?duì)于光伏逆變器而言，不僅最大輸出功率的增加可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，歐洲效率的提高同樣可以，而且更加明顯。歐洲效率的定義不同于我們通常所說的平均效率或者最高效率。它充分考慮了太陽光強(qiáng)度的變化，更加準(zhǔn)確地描述了光伏逆變器的性能。歐洲效率是由不同負(fù)載情況下的效率按照不同比重累加得到的，其中半載的效率占其最大組成部分(見圖1)。

因此為了提高光伏逆變器的歐洲效率，僅僅降低額定負(fù)載時(shí)的損耗是不夠的，必須同時(shí)提高不同負(fù)載情況下的效率。歐洲效率是一個(gè)新的參數(shù)，主要是針對(duì)光伏逆變器提出來的。由于太陽光在不同時(shí)間，強(qiáng)度是不一樣的，所以光伏逆變器其實(shí)并不會(huì)一直工作在額定功率下，更多的是工作在輕負(fù)載的時(shí)候。所以衡量光伏逆變器的效率，不能完全以額定功率下的效率來衡量。所以歐洲人就想出來了一個(gè)新的參數(shù)–歐洲效率來衡量。歐洲效率的計(jì)算方法如表1。

歐洲效率的改善所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也很容易通過計(jì)算得到。例如以一個(gè)額定功率3kw的光伏逆變器為例，根據(jù)現(xiàn)在市場(chǎng)上的成本估算，光伏發(fā)電每千瓦安裝成本大約需要4000歐元[2]，那也就意味著光伏逆變器每提高歐效1%就可以節(jié)省120歐元(光伏發(fā)電現(xiàn)在的成本大概在每千瓦4000歐元，或者說每瓦 4歐元，包括太陽能電池和光伏逆變器，對(duì)于一個(gè)3kw的發(fā)電裝置，如果逆變器效率提高了1%，也就是說多發(fā)了30w，那么成本就可以節(jié)省4×30=120 歐元)。提高光伏逆變器的歐洲效率帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，“不惜成本”追求更高的歐效也成為現(xiàn)在光伏逆變器發(fā)展的趨勢(shì)。

2 功率器件的選型
在通用逆變器的設(shè)計(jì)中，綜合考慮性價(jià)比因素，igbt是最多被使用的器件。因?yàn)閕gbt導(dǎo)通壓降的非線性特性使得igbt的導(dǎo)通壓降并不會(huì)隨著電流的增加而顯著增加。從而保證了逆變器在最大負(fù)載情況下，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。但是對(duì)于光伏逆變器而言，igbt的這個(gè)特性反而成為了缺點(diǎn)。因?yàn)闅W洲效率主要和逆變器不同輕載情況下效率的有關(guān)。在輕載時(shí)，igbt的導(dǎo)通壓降并不會(huì)顯著下降，這反而降低了逆變器的歐洲效率。相反，mosfet的導(dǎo)通壓降是線性的，在輕載情況下具有更低的導(dǎo)通壓降，而且考慮到它非常卓越的動(dòng)態(tài)特性和高頻工作能力，mosfet成為了光伏逆變器的首選。另外考慮到提高歐效后的巨大經(jīng)濟(jì)回報(bào)，最新的比較昂貴的器件，如sic二極管，也正在越來越多的被應(yīng)用在光伏逆變器的設(shè)計(jì)中，sic肖特基二極管可以顯著降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，降低電磁干擾。

3 光伏逆變器的設(shè)計(jì)目標(biāo)
對(duì)于無變壓器式光伏逆變器，它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

(1) 對(duì)太陽能電池輸入電壓進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，從而得到最大的輸入功率;
(2) 追求光伏逆變器最大歐效;
(3) 低的電磁干擾。

為了得到最大輸入功率，電路必須具備根據(jù)不同太陽光條件自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入電壓的功能，最大功率點(diǎn)一般在開環(huán)電壓的70%左右，當(dāng)然這和具體使用的光伏電池的特性也有關(guān)。典型的電路是通過一個(gè)boost電路來實(shí)現(xiàn)。然后再通過逆變器把直流電逆變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)的正弦交流電。

4 單相無變壓器式光伏逆變器拓?fù)浣榻B
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和光伏逆變器額定輸出功率有關(guān)。對(duì)于4kw以下的光伏逆變器，通常選用直流母線不超過500v，單相輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

這個(gè)功能(見圖2)可以通過以下的原理圖實(shí)現(xiàn)(見圖3)。

boost電路通過對(duì)輸入電壓的調(diào)整實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。h橋逆變器把直流電逆變?yōu)檎医涣麟娮⑷腚娋W(wǎng)。上半橋的igbt作為極性控制器，工作在 50hz，從而降低總損耗和逆變器的輸出電磁干擾。下半橋的igbt或者mosfet進(jìn)行pwm高頻切換，為了盡量減小boost電感和輸出濾波器的大小，切換頻率要求盡量高一些，如16khz。[page]

4.1 單相無變壓器式光伏逆變器的優(yōu)點(diǎn)
我們推薦使用功率模塊來設(shè)計(jì)光伏逆變器，因?yàn)榘褕D3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的所有器件集成到一個(gè)模塊里面可以提供以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 安裝簡(jiǎn)單，可靠;
(2) 研發(fā)設(shè)計(jì)周期短，可以更快地把產(chǎn)品推向市場(chǎng);
(3) 更好的電氣性能。

4.2 對(duì)于模塊設(shè)計(jì)，必需要達(dá)到的指標(biāo)
而對(duì)于模塊的設(shè)計(jì)，我們必須保證：

(1) 直流母線環(huán)路低電感設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們必須同時(shí)降低模塊內(nèi)部和外部的寄生電感。為了降低模塊內(nèi)部的寄生電感，必須優(yōu)化模塊內(nèi)部的綁定線，管腳布置以及內(nèi)部走線。為了降低模塊外部寄生電感，我們必須保證在滿足安全間距的前提下，boost電路和逆變橋電路的直流母線正負(fù)兩端盡量靠近。

(2) 給快速開關(guān)管配置專有的驅(qū)動(dòng)管腳
開關(guān)管在開關(guān)過程中，綁定線的寄生電感會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電壓的降低。從而導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加，甚至開關(guān)波形的震蕩。在模塊內(nèi)部，通過給每個(gè)開關(guān)管配置專有的驅(qū)動(dòng)管腳(直接從芯片上引出)，這樣就可以保證在驅(qū)動(dòng)環(huán)路中不會(huì)有大電流流過，從而保證驅(qū)動(dòng)回路的穩(wěn)定可靠。這種解決方案目前只有功率模塊可以實(shí)現(xiàn)，單管igbt還做不到。

圖4顯示了vincotech公司最新推出的光伏逆變器專用模塊flowsol-bi(p896-e01)，它集成了上面所說的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 技術(shù)參數(shù)
(1) boost電路由mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成;
(2) 旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過額定負(fù)載時(shí)，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;
(3) h橋電路上半橋由75a/600v igbt和sic二極管組成，下半橋由mosfet(600v/45mω)組成;
(4) 集成了溫度檢測(cè)電阻。

5 單相無變壓器光伏逆變器專用模塊flowsol0-bi的效率計(jì)算
這里我們主要考慮功率半導(dǎo)體的損耗，其他的無源器件，如boost電感，輸出濾波電感的損耗不計(jì)算在內(nèi)。

基于這個(gè)電路的相關(guān)參數(shù)，仿真結(jié)果如下：

條件
●pin=2kw;
●fpwm = 16khz;
●vpv-nominal = 300v;
●vdc = 400v。

根據(jù)圖5、6的仿真結(jié)果可以看到，模塊的效率幾乎不隨負(fù)載的降低而下降。模塊總的歐洲效率(boost+inverter)可以達(dá)到 98.8%。即使加上無源器件的損耗，總的光伏逆變器的效率仍然可以達(dá)到98%。圖6虛線顯示了使用常規(guī)功率器件，逆變器的效率變化。可以明顯看到，在低負(fù)載時(shí)，逆變器效率下降很快。

6 三相無變壓器光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹
大功率光伏逆變器需要使用更多的光伏電池組和三相逆變輸出(見圖7)，最大直流母線電壓會(huì)達(dá)到1000v。

這里標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用是使用三相全橋電路?？紤]到直流母線電壓會(huì)達(dá)到1000v，那開關(guān)器件就必須使用1200v的。而我們知道，1200v功率器件的開關(guān)速度會(huì)比600v器件慢很多，這就會(huì)增加損耗，影響效率。對(duì)于這種應(yīng)用，一個(gè)比較好的替代方案是使用中心點(diǎn)箝位(npc=neutral point clamped)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖8)。這樣就可以使用600v的器件取代1200v的器件。

為了盡量降低回路中的寄生電感，最好是把對(duì)稱的雙boost電路和npc逆變橋各自集成在一個(gè)模塊里。[page]

(1) 雙boost模塊技術(shù)參數(shù)(見圖9)


●雙boost電路都是由mosfet(600v/45 mω)和sic二極管組成;
●旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過額定負(fù)載時(shí)，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;
●模塊內(nèi)部集成溫度檢測(cè)電阻。

(2) npc逆變橋模塊的技術(shù)參數(shù)(見圖10)


圖10 flowsol-npi -npc逆變橋

●中間換向環(huán)節(jié)由75a/600v的igbt和快恢復(fù)二極管組成;
●上下高頻切換環(huán)節(jié)由mosfet(600v/45 mω)組成;
●中心點(diǎn)箝位二極管由sic二極管組成;
●模塊內(nèi)部集成溫度檢測(cè)電阻。

對(duì)于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，關(guān)于模塊的設(shè)計(jì)要求基本類似于前文提到的單相逆變模塊，唯一需要額外注意的是，無論是雙boost電路還是npc逆變橋，都必須保證dc+，dc-和中心點(diǎn)之間的低電感設(shè)計(jì)。

有了這兩個(gè)模塊，就很容易設(shè)計(jì)更高功率輸出光伏逆變器。例如使用兩個(gè)雙boost電路并聯(lián)和三相npc逆變橋就可以得到一個(gè)高效率的10kw的光伏逆變器。而且這兩個(gè)模塊的管腳設(shè)計(jì)充分考慮了并聯(lián)的需求，并聯(lián)使用非常方便。圖 11是雙boost模塊并聯(lián)和三相npc逆變輸出模塊布局圖。

針對(duì)1000v直流母線電壓的光伏逆變器，npc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器是目前市場(chǎng)上效率最高的。圖12比較了npc模塊(mosfet+igbt)和使用1200v的igbt半橋模塊的效率。

根據(jù)仿真結(jié)果，npc逆變器的歐效可以達(dá)到99.2%，而后者的效率只有96.4%。npc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。

7 下一代光伏逆變器拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)思路介紹
目前混合型h橋(mosfet+igbt)拓?fù)湟呀?jīng)取得了較高的效率等級(jí)。而下一代的光伏逆變器，將會(huì)把主要精力集中在以下性能的改善：

(1) 效率的進(jìn)一步提高;
(2) 無功功率補(bǔ)償;
(3) 高效的雙向變換模式。

7.1 單相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
對(duì)于單相光伏逆變器，首先討論如何進(jìn)一步提高混合型h橋拓?fù)涞男?見圖13)。

在圖13中，上橋臂igbt的開關(guān)頻率一般設(shè)定為電網(wǎng)頻率(例如50hz)，而下橋臂的mosfet則工作在較高的開關(guān)頻率下，例如 16khz，來實(shí)現(xiàn)輸出正弦波。仿真顯示，這種逆變器拓?fù)湓?kw額定功率輸出時(shí)，效率可以達(dá)到99.2%。由于mosfet內(nèi)置二極管的速度較慢，因此 mosfet不能被用在上橋臂。

由于上橋臂的igbt工作在50hz的開關(guān)頻率下，實(shí)際上并不需要對(duì)該支路進(jìn)行濾波。因此對(duì)電路拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，可以得到圖14所示的發(fā)射極開路型拓?fù)?。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是只有有高頻電流經(jīng)過的支路才有濾波電感，從而減小了輸出濾波電路的損耗。