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

應(yīng)用來說，選擇IGBT更為適合而且具備更低成本優(yōu)勢。另一方面，MOSFET有能力滿足高頻、小電流應(yīng)用，特別是那些開關(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，但其處理更高開關(guān)頻率的能力將簡化輸出濾波器的磁設(shè)計(jì)并將顯著縮小輸出電感體積。

　　基于上述原因，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的錢昶介紹，該公司的MOS8 IGBT在靜態(tài)和動態(tài)測試（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的成本是個主要考量，但為實(shí)行一個更優(yōu)方案，也應(yīng)重新審視采用MOSFET的潛力，諸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具備的領(lǐng)先特性就非常適合太陽能逆變器的設(shè)計(jì)。

　　DC/AC變換級通常由兩個快速開關(guān)設(shè)備和兩個用于極性選擇的開關(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相對于IGBT的一個優(yōu)勢是其不存在拐點(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)這時會考慮采用降壓轉(zhuǎn)換器作為其第一個功率級。

　　英飛凌奧地利公司的高級工程師?Uwe Kirchner對此建議通過并聯(lián)三個英飛凌CoolMOS CP系列器件，以在600V級別上獲得少于15m歐姆的導(dǎo)通電阻，而CoolMOS 900V系列產(chǎn)品可提供最大導(dǎo)通電阻為130m歐姆的器件。但是對于慢速開關(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)體二極管在電壓過零點(diǎn)或無功功率的傳遞過程中的硬換流現(xiàn)象時，使用CED較為有利。而對于IGBT的反并聯(lián)二極管，則選用SiC肖特基勢壘二極管比較合適。因?yàn)檫@時，降壓級的續(xù)流二極管(free wheeling diode)或電隔離系統(tǒng)中的整流二極管都可從SiC肖特基勢壘二極管的零反向恢復(fù)特性中受益?！　★w兆半導(dǎo)體的Eric指出，在太陽能逆變器拓?fù)渫ǔＲ部赡馨粋€升壓級，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DC/AC逆變并入電網(wǎng)。對于升壓轉(zhuǎn)換器來說，人們最關(guān)心的是升壓二極管的開關(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，這給二極管帶來顯著的應(yīng)力)。用于這一功率級的MOSFET的開關(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)以減少開關(guān)和導(dǎo)通損耗。在逆變器級中，通常使用專為軟開關(guān)而優(yōu)化的低速 IGBT，以減小輸出濾波器的體積，從而降低濾波器的能耗。同時，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)太陽能逆變器的智能控制

　　設(shè)計(jì)太陽能逆變器時要考慮的兩個關(guān)鍵因素是效率和諧波失真。效率可分成兩個部分：太陽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；而太陽能的效率與控制器如何控制太陽能電池板陣列有關(guān)。每個太陽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。由于這不是一個數(shù)學(xué)密集型算法，因此可使用低成本MCU來完成任務(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等高性能控制器來確保在電網(wǎng)不存在時提供清潔的電能。若太陽能逆變器只在電網(wǎng)存在時工作，則可使用低成本MCU。這是由于電網(wǎng)能吸收太陽能逆變器產(chǎn)生的所有諧波失真，因?yàn)殡娋W(wǎng)可以被看作是一個無窮大的負(fù)載。對于高諧波失真的太陽能逆變器，Microchip技術(shù)開發(fā)部的首席應(yīng)用工程師John Charais推薦使用Microchip的PIC16F和PIC18F MCU系列，這兩個系列帶有片上ADC和PWM模塊，同時PIC12F615到PIC18F “K”或“J”系列MCU等更大的器件均適用。對于低諧波失真的太陽能逆變器，推薦使用PIC32F/30F MCU和dsPIC33F DSC。

　　此外，TI對太陽能等可再生能源的應(yīng)用也很關(guān)注，但這家以DSP而著名的公司目前向太陽能智能控制領(lǐng)域提供的是兩款由DSP演變而來C2000系列MCU。TI高級嵌入式處理器產(chǎn)品部中國區(qū)經(jīng)理譚徽博士認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)太陽能系統(tǒng)在多個太陽能電池板上使用一個逆變器，而據(jù)相關(guān)的研究顯示，連接至每個太陽能電池板的微型逆變器能提升功率轉(zhuǎn)換效率以提高每個單電池板的輸出，因此TI的C2000 Piccolo和Delfino MCU非常適用于太陽能逆變器應(yīng)用。其中，Piccolo MCU可為太陽能電池板提供更高的工作效率以及太陽能逆變器控制功能；而Delfino浮點(diǎn)MCU通過不同的AC來源提供常量AC電壓，AD/DC整流器后續(xù)DC/AC逆變器，在高壓(約600V DC)下同步并精確控制功率級.