新一代逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)

1、新一代逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)設計作者:與非網(wǎng)博客 近年來光伏發(fā)電在各國的普及和應用取得可觀的進展。作為電能轉換的關鍵環(huán)節(jié)，電力電 子變換器對于光伏系統(tǒng)的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。本文在簡要回顧了太陽 能市場近年來的發(fā)展之后，著重分析了太陽能逆變器的設計需要并由此闡述了功率半導體 器件與電路拓撲方面的優(yōu)選原則。 隨著對綠色能源不斷增長的需求，太陽能發(fā)電近年來的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關注。2009年度以美國為例，太陽能工業(yè)總產(chǎn)值在整體經(jīng)濟低迷的形勢下仍增長了百分之三十六，并吸引了高達14億美元的風險投資。據(jù)有關方面的可靠報導，在未來三年里，全世界對光伏發(fā)電系統(tǒng)的年需求將保持百 分之三十的

2、速度遞增。這樣的高增長率預測是基于以下幾個因素：目前過剩的生產(chǎn)能力已 經(jīng)將光伏系統(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統(tǒng)的安裝價格在持續(xù)下降；世 界范圍內各國與地區(qū)的政府補貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補貼扶持政策 陸續(xù)推出。如其中最具影響的金太陽項目一一提出對光伏并網(wǎng)項目和無電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項目分別給予50%及70%的財政補貼?？梢韵嘈?，中國太陽能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在處于一個高速發(fā) 展的時期。電力電子的設計對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。最高的轉換效率永 遠是系統(tǒng)設計項目師考慮的首要因素。因為光電轉換板的效率很低，通常不超過百分之二 十，因此太陽能逆變器的轉換效率對于減小

3、太陽能板總面積和系統(tǒng)總體積就至關重要。除 此之外，在電能轉換過程的功率損耗直接導致了半導體晶圓的溫度升高，所以要通過散熱 器有效耗散這部分損耗能量。器件工作時的溫升和熱應力是影響可靠性的重要參數(shù)，換言 之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源，還提高了系統(tǒng)可靠性，縮減了系統(tǒng)體積和成本。 本文將闡述以提高能效為目標的太陽能逆變器設計原則，并介紹市場上應運而生的各種新 器件，新電路和最新控制技術。電路拓撲要把太陽能轉換板輸出的 粗電”波動的直流電壓）變成恒定可靠的正弦波交流市電，實現(xiàn) 方式通常分為兩種構架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。直流 直流斬波器能夠保持逆變器輸入側電壓的恒定

4、和可調，從而實現(xiàn)電壓和功率控制之間的解 耦。有些時候也利于電力半導體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。但是，毋庸置疑，這一級額 外的變換裝置很可能對系統(tǒng)效率帶來負面影響，所以越來越多的廠商在開發(fā)或評估單級變 換的架構，即使這樣會面臨更復雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓撲 結構中，HERIC?和多電平結構吸引了業(yè)界更多的關注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網(wǎng)相聯(lián) 的情況下。圖1 : HERIC拓撲結構圖2 :三電平鉗位二極管拓撲。如圖1所示，HERIC逆變器的結構是在傳統(tǒng)的單相逆變全橋基礎上新增加了一對二極管串聯(lián) 開關反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開關器件以工頻周波速度開關，對于器

5、件速度沒有特 殊需求。在應用了適當?shù)南辔豢刂浦?，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提 高整個系統(tǒng)的效率。應當指出，這種拓撲結構現(xiàn)在仍然處于Sun ways所獲專利的有效期之內，因而在歐洲的應用相對于亞洲和北美要廣泛（逆變器市場分析報告。三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關注的一種新型太陽能逆變電路拓撲，它已被成 功地使用在高電壓的集中式太陽能發(fā)電應用中。圖2所示的三相三電平電路的每個橋臂由4只帶反并聯(lián)二極管的開關串聯(lián)而成，另外每相有一個二極管相臂跨接在主開關之間，且其 中點和直流母線的中性點直接連通。這個二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時 ，每個主開關器件所受最大電壓應力為母

6、線電壓的一半。因為這種特殊的拓撲結構，三電 平輸出具有低次諧波小 交流輸出更接近正弦），電磁噪聲水平低，所需開關器件的電壓 耐量低和級數(shù)可擴展等優(yōu)點。在太陽能并網(wǎng)發(fā)電時，尤其適用于三相大功率高電壓的場合 。此外，多電平電路對于系統(tǒng)成本的節(jié)約意義顯著。體現(xiàn)在三個方面：首先，實踐證明， 高壓半導體開關器件的價格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電 平電路的器件成本更低；其次，輸出電壓的諧波小，所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小 ，從而降低了濾波設備成本；最后，因為開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調制方式下，三電 平的部分主開關可以在低頻下開關，就可以采用相對經(jīng)濟的開關器件。電力電子器件的

7、常用種類和選型原則用于廣義的 太陽能逆變器 含輸入直流斬波級）的功率半導體器件主要有MOSFET, IGBT ,SuperJunctionMOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價格便宜并適用于大電流的應用場合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產(chǎn)品，在實際設計中被廣為應用。概括地說，選用哪類器件 取決于成本，效率的要求并兼顧開關頻率。如果要求硬開關在100千赫以上，一般只有 MOSFET能夠勝任。在較低頻段如 15千赫，如沒有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于客戶對轉換效率和成本的

8、具體要求。系統(tǒng)效率和成本之間作為一對矛盾 ，設計項目師將根據(jù)其相應關系對照目標系統(tǒng)要求以確定最貼近系統(tǒng)要求的元件型號。為 了幫助設計人員量化的分析效率和器件成本之間的關系，表一羅列了三種半導體開關器件 的功率損耗和價格因素，為了便于比較，各參數(shù)均以MOSFET情況作歸一化處理。超結 MOSFET工藝目前沒有超過900V的器件。半導體器件類別f電壓電流等級MOSFETIGBTSuper Junction FET600V/50A10.360.7開關損耗2313價格1 0 50.361200V/25A通態(tài)廳10.17X開關損耗12 2 X價格10.33X表1常用開關器件的性能與價格對照表（所有數(shù)字以

9、MOSFET情況歸一化除去以上最典型的三類全控開關器件，業(yè)界還存在像碳化硅二極管和ESBT?等基于新材料和新工藝的產(chǎn)品。它們目前的價格還比較高，主要應用于對太陽能發(fā)電效率 有特殊要求的場合。但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進步和器件單價的下降，這類器件也將逐步變 為主流產(chǎn)品，甚至替代上述的某一類器件。工業(yè)界的最新產(chǎn)品因為太陽能發(fā)電市場的龐大規(guī)模與發(fā)展?jié)摿Γ澜绺鞔蟀雽w生產(chǎn)廠商都競相推出自己的 產(chǎn)品追逐市場。近幾年來，各種針對太陽能功率變換的新器件和新技術層出不窮。在如火 如荼的市場競爭中，美高森美（microsemi的太陽能系列產(chǎn)品以其先進工藝和應用技術而獨樹一幟。單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模

10、塊圖3所示的混合單相全橋功率模塊是專用于太陽能單相逆變的產(chǎn)品。配合以單極型調制方法，每個橋臂的兩只開關管分別工作在完全相異開關頻率范圍。以圖示為例，上管總是在工 頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調制頻率下動作。根據(jù)這種工作特點，上管總是選用 相對便宜的門極溝道型（Trench IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，而下管可選擇非穿通型（NPTIGBT以減少開關損耗。這種拓撲結構不但保障了最高系統(tǒng)轉換效率還降低了整個逆變設備 的成本。圖4給出了不同器件搭配的轉換效率曲線以印證這種太陽能功率模塊的優(yōu)越性?？?以發(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負載下能實現(xiàn)98%以上的轉換效率。LOW VCEWT MT REB師-r/

11、-1p圖3 :混合器件太陽能逆變模塊 高效微型太陽能逆變器測試方法）。xM.9tvEUJ1P：Pnoni圖4 :不同器件搭配的逆變器效率對比。在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件的機制。其主旨在于充分利用兩端器 件開關頻率遠高于中間相鄰兩器件。因而APTCV60系列三電平模塊使用兩頭超結 MOSFET中間Trench IGBT的結構進一步提高效率。ESBTESBT是應用于太陽能的一種新型高電壓快速開關器件，它兼顧了IGBT 和MOSFET的優(yōu)點，不僅電壓耐量高于 MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市 場的ESBT太陽能升壓斬波器模塊集成了碳化硅二極管和ESB

12、T,面向5千瓦至20千瓦的超高效率升壓應用。其電壓耐量為1200V,集電極和射極間飽和通態(tài)電壓很低接近1V），優(yōu)化開關頻率在30千赫至40千赫之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。實驗表明，這種功率模塊比目前市場上對應的IGBT模塊減少40%的損耗。根據(jù)6千瓦的參考設計實驗結果，此模塊在50%至滿負載之間，轉換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個百分點。因此，在碳化硅全控器件的價格下降到可接受的范圍 之前，對于超高效率的太陽能功率變換應用，ESBT將是開關器件的不二之選。Ihiv Mil圖5 : ESBT升壓斬波模塊。旁路二極管位于太陽能逆變器前端的旁路二極管，嚴格來說雖然不屬于逆變部

13、分，但是作為太陽能發(fā) 電設備的一部分，對于逆變器運行乃至整個系統(tǒng)的可靠性也至關重要。美高森美新針對此 應用推出兩款新產(chǎn)品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技術 一 CoolRUNTM工藝，無需散熱器，通過 10A電流時溫升小于10?C。以30年穩(wěn)定運行為目標的可靠性設計保證了 100uA以下漏電流，20A的穩(wěn)態(tài)電流能力，和雙向抗閃電功能。其最大特點是業(yè)界最低溫升。SFDS1045是新一代肖特基二極管，也是迄今為止業(yè)界最薄的旁路二極管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封裝之下，特別適合直接應用于太陽能板。另外其獨特的柔韌銅引腳具有衛(wèi)星應用級別的可靠性。結論：提高轉換效率和降低成本是太陽能逆變器設計的長期課題，也是項目設計人員面臨 的最大挑