新一代逆变器优化光伏系统

1、新一代逆变器优化光伏系统设计作者:与非网博客 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。2009年度以美国为例，太阳能工业总产值在整体经济低迷的形势下仍增长了百分之三十六，并吸引了高达14亿美元的风险投资。据有关方面的可靠报导，在未来三年里，全世界对光伏发电系统的年需求将保持百 分之三十的

2、速度递增。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项目一一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。可以相信，中国太阳能产业现在处于一个高速发 展的时期。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。最高的转换效率永 远是系统设计项目师考虑的首要因素。因为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

3、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。 本文将阐述以提高能效为目标的太阳能逆变器设计原则，并介绍市场上应运而生的各种新 器件，新电路和最新控制技术。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。直流 直流斩波器能够保持逆变器输入侧电压的恒定

4、和可调，从而实现电压和功率控制之间的解 耦。有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。但是，毋庸置疑，这一级额 外的变换装置很可能对系统效率带来负面影响，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

5、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。应当指出，这种拓扑结构现在仍然处于Sun ways所获专利的有效期之内，因而在欧洲的应用相对于亚洲和北美要广泛（逆变器市场分析报告。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

6、线电压的一半。因为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 。此外，多电平电路对于系统成本的节约意义显著。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，因为开管数量的增多，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

7、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 ,SuperJunctionMOSFET。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

8、具体要求。系统效率和成本之间作为一对矛盾 ，设计项目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。半导体器件类别f电压电流等级MOSFETIGBTSuper Junction FET600V/50A10.360.7开关损耗2313价格1 0 50.361200V/25A通态廳10.17X开关损耗12 2 X价格10.33X表1常用开关器件的性能与价格对照表（所有数字以

9、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。工业界的最新产品因为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

10、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（NPTIGBT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。LOW VCEWT MT REB師-r/

11、-1p图3 :混合器件太阳能逆变模块 高效微型太阳能逆变器测试方法）。xM.9tvEUJ1P：Pnoni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。ESBTESBT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ESB

12、T,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。因此，在碳化硅全控器件的价格下降到可接受的范围 之前，对于超高效率的太阳能功率变换应用，ESBT将是开关器件的不二之选。Ihiv Mil图5 : ESBT升压斩波模块。旁路二极管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

13、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 一 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。另外其独特的柔韧铜引脚具有卫星应用级别的可靠性。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，也是项目设计人员面临 的最大挑