太陽能逆變電源基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)與方法總結(jié)

　　太陽能逆變器的作用是將隨太陽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)

　　基于太陽能逆變器的專用性以及保持設(shè)計(jì)的高效率，它需要持續(xù)監(jiān)視太陽能電池板陣列的電壓和電流，從而了解太陽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)，用于確保太陽能電池板陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)，以應(yīng)付多變的高輸入。目前，太陽能逆變器已有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric(Sunways專利)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)候可以快速斷開與電網(wǎng)的連接。因此，太陽能逆變器的基本設(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)逆變器

　　額定電壓：太陽能逆變器的主要功能是把來自光伏面板（有時(shí)是經(jīng)過穩(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)用來說，480V也很常見。對(duì)選定的逆變器拓?fù)鋪碚f，輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的額定電壓。

　　容量：它是太陽能逆變器額定功率的另一個(gè)說法。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。太陽能逆變器的成本以美元/瓦來衡量。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、過載以及連續(xù)工作模式等情況考慮在內(nèi)。

　　效率：每個(gè)太陽能逆變器都有其對(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柲荜嚵械哪芰哭D(zhuǎn)換效率相對(duì)低（約在15%左右）的事實(shí)，所以，就以最小的太陽能面板獲得最多的輸出功率來說，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。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)在的開關(guān)模式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，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)載來說，這些諧波有害無益；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)量問題。一款設(shè)計(jì)精良的太陽能逆變器應(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。過去10年間，開發(fā)出若干算法，其中最流行的是通過擾動(dòng)電壓和觀察輸出的方法。

　　通信特性：對(duì)一個(gè)數(shù)千瓦的太陽能逆變器來說，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)且無須借助體積龐大、成本高昂的能量存儲(chǔ)器件?；诎踩紤]，并網(wǎng)的逆變器將在掉電時(shí)自動(dòng)切斷且一般沒有用于存儲(chǔ)能量的電池組。同時(shí)，離網(wǎng)太陽能逆變器工作在獨(dú)立模式，無需與外部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)用包括太陽能街燈照明或使用48V電壓軌輸出的太陽能輔助電信系統(tǒng)。在48V系統(tǒng)中，則一般選擇100V的功率MOSFET來構(gòu)建全橋逆變器。下文也將會(huì)對(duì)太陽能逆變器中的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?？紤]到光伏面板把太陽能轉(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，因此，必須有效散熱。這些損耗導(dǎo)致的熱過力是高可靠設(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，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關(guān)電路、更新的封裝技術(shù)、對(duì)電解電容器的替代、過設(shè)計(jì)、器件的冗余以及對(duì)常見失效模式和原因等的深入分析。

　　Microsemi(美高森美)半導(dǎo)體的應(yīng)用工程師經(jīng)理錢昶指出，電和熱方面的過載是導(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)降低了熱過力；過設(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)偨档土嗣恳黄骷艿膲毫Α?/p>

　　過設(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，錢昶認(rèn)為太陽能逆變器可靠性設(shè)計(jì)的其它挑戰(zhàn)還應(yīng)包括：具有低可靠性的電解電容并且以合理價(jià)格找到不同種類高壓、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)帶來挑戰(zhàn)。

　　飛兆半導(dǎo)體技術(shù)行銷助理經(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褪苋粘囟茸兓h(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關(guān)器件。

　　而英飛凌的高級(jí)工程師Jerome Lee則建議，可通過降低電解電容中的紋波電流以延長(zhǎng)逆變器的使用壽命。當(dāng)開關(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大或是出現(xiàn)多相系統(tǒng)。而除了電解電容老化問題，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)可以通過使用過壓保護(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、開關(guān)速度和成本。而設(shè)計(jì)人員在為太陽能逆變器設(shè)計(jì)選擇功率逆變器件時(shí)又將有具體的考慮呢？

就MOSFET和IGBT來說，其選用決策視性能和成本間的權(quán)衡而定。一般說，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)通和開關(guān)兩類。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的開關(guān)速度更快，所以開關(guān)損耗比IGBT低。因此對(duì)于要求更低開關(guān)頻率且更大電流的