基于提高太陽能逆變器的轉(zhuǎn)換效率的解決方案

I.　引言/摘要

由于對可再生能源的需求，太陽能逆變器 (光電逆變器) 的市場正在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。本文對這些逆變器中采用的功率電路進行了考察，并推薦了針對開關(guān)和整流器件的最佳選擇。

光電逆變器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，有三種不同的逆變器可供選擇。太陽光照射在通過串聯(lián)方式連接的太陽能模塊上，每一個模塊都包含了一組串聯(lián)的太陽能電池 (Solar Cell)單元。太陽能模塊產(chǎn)生的直流 (DC) 電壓在幾百伏的數(shù)量級，具體數(shù)值根據(jù)模塊陣列的光照條件、電池的溫度及串聯(lián)模塊的數(shù)量而定。

這類逆變器的首要功能是把輸入的 DC電壓轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定的值。該功能通過升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，并需要升壓開關(guān)和升壓二極管。

在第一種結(jié)構(gòu)中，升壓級之后是一個隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個全橋變換器是用來從第一級的全橋變換器的直流DC變換成交流 (AC) 電壓。其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點繼電器開關(guān)連接到AC電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之前被濾波，目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網(wǎng)隔離。

第二種結(jié)構(gòu)是非隔離方案。其中，AC交流電壓由升壓級輸出的DC電壓直接產(chǎn)生。

第三種結(jié)構(gòu)利用功率開關(guān)和功率二極管的創(chuàng)新型拓撲結(jié)構(gòu)，把升壓和AC交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個專用拓撲中。

圖1：太陽能逆變器系統(tǒng)原理示意圖

盡管太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。在德國，安裝在朝南屋頂上的3kW串聯(lián)模塊預計每年可發(fā)電 2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發(fā)電25kWh。而利用額外的太陽能模塊產(chǎn)生這25kWh的費用與增加一個逆變器相當。由于效率從95% 提高到 96% 不會使到逆變器的成本加倍，故對更高效的逆變器進行投資是必然的選擇。對新興設(shè)計而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設(shè)計準則。

至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設(shè)計準則。更高的效率可以降低負載周期上的溫度波動，從而提高可靠性，因此，這些準則實際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會提高可靠性。

圖1所示的所有拓撲都需要快速轉(zhuǎn)換的功率開關(guān)。升壓級和全橋變換級需要快速轉(zhuǎn)換二極管。此外，專門為低頻 (100Hz) 轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開關(guān)對這些拓撲也很有用處。對于任何特定的硅技術(shù)，針對快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開關(guān)比針對低頻轉(zhuǎn)換應用優(yōu)化的開關(guān)具有更高的導通損耗。
II.用于升壓級的開關(guān)和二極管

升壓級一般設(shè)計為連續(xù)電流模式轉(zhuǎn)換器。根據(jù)逆變器所采用的陣列中太陽能模塊的數(shù)量，來選者使用600V還是1200V的器件。