實(shí)現(xiàn)高效可靠的太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)

1、實(shí)現(xiàn)高效可靠的太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)高效可靠的太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)當(dāng)前, 太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)(包括光伏模塊和逆變器正以每年約 30%的年累積速 度增長(zhǎng)。太陽(yáng)能逆變器的作用是將隨太陽(yáng)能輻射及光照變化的 DC 電壓轉(zhuǎn)換成為 電網(wǎng)兼容的 AC 輸出;而對(duì)于廣大電子工程師而言,太陽(yáng)能逆變器是一個(gè)值得高 度關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。 因此下文將介紹太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)所需注意的技術(shù)要點(diǎn)、 挑 戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方法。基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基于太陽(yáng)能逆變器的專(zhuān)用性以及保持設(shè)計(jì)的高效率, 它需要持續(xù)監(jiān)視太陽(yáng)能 電池板陣列的電壓和電流, 從而了解太陽(yáng)能電池板陣列的瞬時(shí)輸出功率。 它還需 要一個(gè)電流控制的反饋環(huán),用于確保太陽(yáng)能電池板陣列工作在最

2、大輸出功率點(diǎn), 以應(yīng)付多變的高輸入。 目前, 太陽(yáng)能逆變器已有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 最常見(jiàn)的是用于 單相的半橋、全橋和 Heric(Sunways專(zhuān)利逆變器,以及用于三相的六脈沖橋和 中點(diǎn)鉗位(NPC逆變器;圖 1所示是這些逆變器的拓?fù)鋱D(Microsemi圖源。 同時(shí), 設(shè)計(jì)還需遵從安全規(guī)范, 并在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候可以快速斷開(kāi)與電網(wǎng)的 連接。因此,太陽(yáng)能逆變器的基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括額定電壓、容量、效率、電池能 效、輸出 AC 電源質(zhì)量、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT效能、通信特性和安全性。 圖 1a:半橋逆變。圖1b:全橋逆變器 圖 1c:Heric逆變器 圖 1d:三相橋逆變器。圖 1e:NPC三級(jí)逆變

3、器額定電壓:太陽(yáng)能逆變器的主要功能是把來(lái)自光伏面板 (有時(shí)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的 DC 電壓的可變 DC 電壓轉(zhuǎn)換為 AC 電壓以驅(qū)動(dòng)負(fù)載或給電網(wǎng)供電。最常用的單 相和三相 AC 電壓分別為 120V/220V以及 208V/380V;而對(duì)工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),480V 也很常見(jiàn)。 對(duì)選定的逆變器拓?fù)鋪?lái)說(shuō), 輸出 AC 電壓的范圍將決定 DC 母線電壓以 及每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的額定電壓。容量:它是太陽(yáng)能逆變器額定功率的另一個(gè)說(shuō)法。該數(shù)值在 200W(面板集 成模塊到數(shù)百千瓦之間。容量越大,逆變器的體積越大、價(jià)格越高。太陽(yáng)能逆 變器的成本以美元/瓦來(lái)衡量。就一個(gè)恰到好處的設(shè)計(jì)而言,確定容量時(shí),必須 把浪涌、過(guò)載以及連

4、續(xù)工作模式等情況考慮在內(nèi)。效率:每個(gè)太陽(yáng)能逆變器都有其對(duì)效率(輸出功率/輸入功率的要求,例 如,一個(gè)數(shù)千瓦系統(tǒng)的典型效率可達(dá) 95%?；谔?yáng)能陣列的能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì) 低(約在 15%左右的事實(shí),所以,就以最小的太陽(yáng)能面板獲得最多的輸出功率 來(lái)說(shuō),高效逆變器具有非常重要的意義。電池能力:在逆變器的 DC 側(cè)加裝電池組起著能量緩存器的作用,它能平抑 DC 電壓可能的波動(dòng)并把負(fù)載還未使用的能量存儲(chǔ)起來(lái)。電池能力的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 當(dāng)天黑時(shí)仍可持續(xù)提供能量。 任何加裝了電池的太陽(yáng)能逆變器都需要電池控制器, 雖然在連接電網(wǎng)的情況一般用不到。輸出功率質(zhì)量:源于逆變器內(nèi)在的開(kāi)關(guān)模式特性,其 AC 輸出波形并非理

5、想 的正弦波,且通常還包含由脈寬調(diào)制(PWM引入的寬范圍高頻諧波。對(duì)許多電 子負(fù)載來(lái)說(shuō),這些諧波有害無(wú)益;當(dāng)并網(wǎng)時(shí),這些諧波成為污染源。盡管有這些 諧波, 太陽(yáng)能逆變器依然能夠?qū)ω?fù)載較差的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償, 并弱化諸如電壓 驟降和波動(dòng)等電源質(zhì)量問(wèn)題。 一款設(shè)計(jì)精良的太陽(yáng)能逆變器應(yīng)輸出近似正弦波并 減少引入到電網(wǎng)內(nèi)不期望的低頻成分。MPPT 效能:太陽(yáng)能面板的輸出將遵循電流-電壓曲線圖中不同光照條件下的 一系列特性曲線,因此,為獲得最大功率輸出,需對(duì)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最大功 率點(diǎn)跟蹤手法類(lèi)似獲取內(nèi)燃機(jī)最佳效率曲線的作法, 其中, 扭矩和速度對(duì)應(yīng)電流 和電壓。過(guò)去 10年間,開(kāi)發(fā)出若干算法,其中最

6、流行的是通過(guò)擾動(dòng)電壓和觀察 輸出的方法。通信特性:對(duì)一個(gè)數(shù)千瓦的太陽(yáng)能逆變器來(lái)說(shuō), 構(gòu)建一個(gè)用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)的通信連接很有必要。 歸功于當(dāng)今這樣一個(gè)數(shù)字時(shí)代, 作為一種通用控制器的 微處理器(MCU很適合該功能。安全性:有兩個(gè)含義:1.當(dāng)并網(wǎng)時(shí),需仔細(xì)觀察波形并在掉電時(shí),立即切斷 連接;反孤島保護(hù)對(duì)此很關(guān)鍵。2.維護(hù)和維修時(shí),工作人員應(yīng)沒(méi)安全風(fēng)險(xiǎn)。并網(wǎng)逆變器需要在不降低功率等級(jí)的前提下,緊密匹配電網(wǎng)的相位和頻率。 在并網(wǎng)時(shí), 逆變器能夠把負(fù)載用不了的電能回送至電網(wǎng)且無(wú)須借助體積龐大、 成 本高昂的能量存儲(chǔ)器件。 基于安全考慮, 并網(wǎng)的逆變器將在掉電時(shí)自動(dòng)切斷且一 般沒(méi)有用于存儲(chǔ)能量的電池組

7、。 同時(shí), 離網(wǎng)太陽(yáng)能逆變器工作在獨(dú)立模式, 無(wú)需 與外部 AC 電網(wǎng)同步。所以,它不需要任何反孤島保護(hù)措施。另外, 對(duì)于逆變器的并網(wǎng)設(shè)計(jì)和離網(wǎng)設(shè)計(jì), 兩者間的區(qū)別還在于輸出級(jí)。 然 而,在并網(wǎng)連接系統(tǒng)中,大多數(shù)情況下,DC/AC級(jí)由 600V 的功率 MOSFET 和/或 IGBT 所構(gòu)建,離網(wǎng)系統(tǒng)則使用為電池級(jí)饋送的低壓輸出,主要的應(yīng)用包括太陽(yáng) 能街燈照明或使用 48V 電壓軌輸出的太陽(yáng)能輔助電信系統(tǒng)。 在 48V 系統(tǒng)中, 則一 般選擇 100V 的功率 MOSFET 來(lái)構(gòu)建全橋逆變器。 下文也將會(huì)對(duì)太陽(yáng)能逆變器中的 MOSFET 和 IGBT 的使用進(jìn)行詳細(xì)介紹。系統(tǒng)效率可能成為了太陽(yáng)

8、能逆變器最重要的設(shè)計(jì)考慮因素, 是不同競(jìng)爭(zhēng)廠商 之間優(yōu)劣的區(qū)分要素。一臺(tái) 20kWp 安裝設(shè)備每天平均輸出電能為 190kWh,若其 效率從 95%提高到 96%, 如果強(qiáng)制入網(wǎng)電價(jià) (feed-in tariff按 0.40美元/ kWh, 并以 10年壽命周期來(lái)計(jì)算,其所節(jié)省約為逆變器自身成本的一半,因此效率的 重要性不言而喻。一旦輸出功率確定了, 則最高轉(zhuǎn)換效率和最低功率器件損耗講的就是一回事。 考慮到光伏面板把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率很低(一般只有 15%,則能量逆變 器的效率在減小太陽(yáng)能面板面積和整個(gè)系統(tǒng)的體積方面就很有意義。 除此原因外, 器件的功率損耗將在硅裸片上產(chǎn)生熱從而導(dǎo)致溫升

9、, 因此, 必須有效散熱。 這些 損耗導(dǎo)致的熱過(guò)力是高可靠設(shè)計(jì)必須竭力應(yīng)付的且必須要用到散熱器。 眾所周知, 散熱器個(gè)頭大、價(jià)格高;另外,其采用諸如風(fēng)扇等器件使散熱器的可靠性不高。 換句話(huà), 盡可能小的功率損耗不僅節(jié)省能量, 還可以提升系統(tǒng)可靠性, 使系統(tǒng)更 緊湊并降低了成本。由于現(xiàn)有逆變器的第一次故障平均時(shí)間約是 5年, 因此太陽(yáng)能逆變器成為造 成光伏系統(tǒng)諸多故障的主要原因。 為提升逆變器設(shè)計(jì)的可靠性, 需考慮如下因素 并采取相應(yīng)措施,包括:低損耗功率器件和開(kāi)關(guān)電路、更新的封裝技術(shù)、對(duì)電解 電容器的替代、過(guò)設(shè)計(jì)、器件的冗余以及對(duì)常見(jiàn)失效模式和原因等的深入分析。Microsemi(美高森美半導(dǎo)

10、體的應(yīng)用工程師經(jīng)理錢(qián)昶指出,電和熱方面的過(guò) 載是導(dǎo)致失效的兩個(gè)原因, 選擇能效更高的器件和電路會(huì)降低逆變器自身的功耗 并進(jìn)而降低功率器件的結(jié)溫且同時(shí)降低了熱過(guò)力; 過(guò)設(shè)計(jì)是使電和熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低 于器件所能承受水平的另一條途徑; 而冗余設(shè)計(jì)使器件交替工作, 從而分?jǐn)偨档?了每一器件所受的壓力。但是, 過(guò)設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)將顯著增加成本, 而這是制造商所不希望的。 因此, 更可行、 成本更低的作法是研究失效模式和成因然后將該信息回饋至產(chǎn)品進(jìn)行重 新設(shè)計(jì)。 當(dāng)然, 這就需要對(duì)大量產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以便發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證故障機(jī)制和模 式。此外, 錢(qián)昶認(rèn)為太陽(yáng)能逆變器可靠性設(shè)計(jì)的其它挑戰(zhàn)還應(yīng)包括:具有低可靠 性的電解電

11、容并且以合理價(jià)格找到不同種類(lèi)高壓、 大容量電容器的技術(shù)難度; 缺 少結(jié)構(gòu)化方法進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)劃和質(zhì)量控制的不成熟制造工藝也將損害可靠性; 另外, 工作在惡劣環(huán)境下(極低或極高溫、潮濕和曝曬也為可靠性設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。飛兆半導(dǎo)體技術(shù)行銷(xiāo)助理經(jīng)理 Eric Zhang也認(rèn)為系統(tǒng)所需的母線電容的確 成為影響可靠性的最重要因素, 因此設(shè)計(jì)通常會(huì)選擇電解電容器, 因?yàn)樗褪苋?常溫度變化循環(huán), 并可在高溫下運(yùn)作。 設(shè)計(jì)人員還必須了解將要并網(wǎng)發(fā)電之太陽(yáng) 能電池的額定輸出功率,從而選擇合適的拓?fù)?請(qǐng)參考圖 1,并使用具有足夠耐 壓的功率開(kāi)關(guān)器件。而英飛凌的高級(jí)工程師 Jerome Lee則建議,可通過(guò)降低電解電容中

12、的紋波 電流以延長(zhǎng)逆變器的使用壽命。 當(dāng)開(kāi)關(guān)的高頻操作與高效率目標(biāo)發(fā)生沖突, 需要 考慮電容器組是否過(guò)大或是出現(xiàn)多相系統(tǒng)。 而除了電解電容老化問(wèn)題, 他認(rèn)為電 壓額定值下降以及散熱效果是影響也是太陽(yáng)能逆變器可靠性的主要因素, 最具成本性能優(yōu)化的是使用 600V 級(jí)別的功率器件。這時(shí)可以通過(guò)使用過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)或 降壓變換器作為輸入級(jí)以將電壓應(yīng)力減少到 500V 以下。IGBT 抑或 MOSFET?半導(dǎo)體器件影響逆變器設(shè)計(jì)的主要因素可以概括為:器件擊穿電壓、封裝、 熱阻(從結(jié)到外殼、電流等級(jí)、導(dǎo)通電壓或?qū)ㄗ杩?、寄生電容、開(kāi)關(guān)速度和 成本。 而設(shè)計(jì)人員在為太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)選擇功率逆變器件時(shí)又將有具體

13、的考慮 呢?就 MOSFET 和 IGBT 來(lái)說(shuō),其選用決策視性能和成本間的權(quán)衡而定。一般說(shuō), 因 IGBT 的電流更大(是 MOSFET 的兩倍多,所以采用 IGBT 方案的成本比采用 MOSFET 的成本低。除成本方面的考慮外,器件性能可由功率損耗表度,而功率 損耗可分為:導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)兩類(lèi)。作為以少數(shù)載流子為基礎(chǔ)的器件,在大電流下, IGBT 具有更低的導(dǎo)通電壓,也就意味著更低的導(dǎo)通損耗。但 MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度 更快,所以開(kāi)關(guān)損耗比 IGBT 低。因此對(duì)于要求更低開(kāi)關(guān)頻率且更大電流的應(yīng)用 來(lái)說(shuō),選擇 IGBT 更為適合而且具備更低成本優(yōu)勢(shì)。另一方面,MOSFET 有能力滿(mǎn) 足高頻、小電

14、流應(yīng)用,特別是那些開(kāi)關(guān)頻率在 100kHz 以上的能量逆變器模塊的 需要。雖然從器件成本角度看,MOSFET 比 IGBT 貴,但其處理更高開(kāi)關(guān)頻率的能 力將簡(jiǎn)化輸出濾波器的磁設(shè)計(jì)并將顯著縮小輸出電感體積?；谏鲜鲈?更多的制造商因此傾向于在中高水平的能量逆變器中采用 IGBT。而據(jù) Microsemi 的錢(qián)昶介紹,該公司的 MOS8 IGBT 在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試(最 小化的總體功率損耗方面的優(yōu)化性能可出色勝任這些應(yīng)用的要求。另一方面, 他強(qiáng)調(diào),即便 MOSFET 的成本是個(gè)主要考量,但為實(shí)行一個(gè)更優(yōu)方案,也應(yīng)重新 審視采用 MOSFET 的潛力, 諸如 Microsemi 的 MOS7/MO

15、S8 MOSFET 所具備的領(lǐng)先特 性就非常適合太陽(yáng)能逆變器的設(shè)計(jì)。DC/AC變換級(jí)通常由兩個(gè)快速開(kāi)關(guān)設(shè)備和兩個(gè)用于極性選擇的開(kāi)關(guān)所組成, 所以主要損耗表現(xiàn)為傳導(dǎo)損耗,也因此需要功率器件具備非常低的正向電壓降。 功率 MOSFET 相對(duì)于 IGBT 的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其不存在拐點(diǎn)電壓(knee voltage。 而逆 變器設(shè)計(jì)需要考慮高達(dá) 700V 的輸入電壓,系統(tǒng)這時(shí)會(huì)考慮采用降壓轉(zhuǎn)換器作為 其第一個(gè)功率級(jí)。英飛凌奧地利公司的高級(jí)工程師?Uwe Kirchner 對(duì)此建議通過(guò)并聯(lián)三個(gè)英飛 凌 CoolMOS CP系列器件,以在 600V 級(jí)別上獲得少于 15m 歐姆的導(dǎo)通電阻,而 CoolMOS

16、900V 系列產(chǎn)品可提供最大導(dǎo)通電阻為 130m 歐姆的器件。但是對(duì)于慢速 開(kāi)關(guān)設(shè)備,他推薦使用 600V 的 Trench Stop IGBT。該公司電源分立器件部負(fù)責(zé)人 Gerald Deboy博士也為逆變器設(shè)計(jì)的器件選 型補(bǔ)充了自己的看法,他認(rèn)為使用 CoolMOS CP還是 CoolMOS CED要取決于體二 極管的要求。 在逆變器中, 當(dāng)體二極管在電壓過(guò)零點(diǎn)或無(wú)功功率的傳遞過(guò)程中的 硬換流現(xiàn)象時(shí),使用 CED 較為有利。而對(duì)于 IGBT 的反并聯(lián)二極管,則選用 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管比較合適。因?yàn)檫@時(shí),降壓級(jí)的續(xù)流二極管(free wheelingdiode或電隔離系統(tǒng)中的整流二極

17、管都可從 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管的零反向恢 復(fù)特性中受益。 飛兆半導(dǎo)體的 Eric 指出， 在太陽(yáng)能逆變器拓?fù)渫ǔＲ部赡馨粋€(gè)升壓級(jí)， 將輸入 DC 電壓提升至充分高于所需峰值輸出電壓的水平，然后通過(guò) DC/AC 逆變 并入電網(wǎng)。對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，人們最關(guān)心的是升壓二極管的開(kāi)關(guān)損耗，反向 恢復(fù)電荷可能引起高損耗(這取決于功率范圍，升壓轉(zhuǎn)換器通常使用連續(xù)導(dǎo)通模 式，這給二極管帶來(lái)顯著的應(yīng)力。用于這一功率級(jí)的 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗亦很重 要，因此可考慮選擇先進(jìn)的超結(jié)器件(例如 600V SuperFET MOSFET以減少開(kāi)關(guān) 和導(dǎo)通損耗。在逆變器級(jí)中，通常使用專(zhuān)為軟開(kāi)關(guān)而優(yōu)化的低速 I

18、GBT，以減小 輸出濾波器的體積， 從而降低濾波器的能耗。 同時(shí)， 由于 IGBT 本身具備穩(wěn)固性， 可以更好地抵抗電網(wǎng)的峰值電壓，許多逆變器使用專(zhuān)有拓?fù)湟赃M(jìn)一步提升效率， 增添更多的功能特性。 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能逆變器的智能控制 設(shè)計(jì)太陽(yáng)能逆變器時(shí)要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵因素是效率和諧波失真。 效率可分成 兩個(gè)部分：太陽(yáng)能的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決于設(shè) 計(jì)使用的外部元件，而不是控制器；而太陽(yáng)能的效率與控制器如何控制太陽(yáng)能電 池板陣列有關(guān)。 每個(gè)太陽(yáng)能電池板陣列的最大工作功率在很大程度上取決于陣列 的溫度和光照。MCU 必須控制太陽(yáng)能電池板陣列的輸出負(fù)載，以使陣列的工作功 率最大。由于這不是一個(gè)數(shù)學(xué)密集型算法，因此可使用低成本 MCU 來(lái)完成任務(wù)。 而要智能化控制諧波失真，則需要更多處理。若要將系統(tǒng)用作不間斷電源 （UPS），則需要諸如 DSC 或 DSP 等高性能控制器來(lái)確保在電網(wǎng)不存在時(shí)提供清 潔的電能。若太陽(yáng)能逆變器只在電網(wǎng)存在時(shí)工作，則可使用低成本 MCU。這是由 于電網(wǎng)能吸收太陽(yáng)能逆變器產(chǎn)生的所有諧波失真， 因?yàn)殡娋W(wǎng)