深度分析如何提高太陽能逆變器轉(zhuǎn)換效率

引言

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，并推薦了針對開關和整流器件的最佳選擇。

光電逆變器的一般結(jié)構如圖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)，并需要升壓開關和升壓二極管。

在第一種結(jié)構中，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連接到AC電網(wǎng)網(wǎng)絡之前被濾波，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)構利用功率開關和功率二極管的創(chuàng)新型拓撲結(jié)構，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。對新興設計而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關鍵的設計準則。

至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設計準則。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。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)化的開關對這些拓撲也很有用處。對于任何特定的硅技術，針對快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開關比針對低頻轉(zhuǎn)換應用優(yōu)化的開關具有更高的導通損耗。

用于升壓級的開關和二極管

升壓級一般設計為連續(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。

功率開關的兩個選擇是MOSFET和 IGBT。一般而言，MOSFET比IGBT可以工作在更高的開關頻率下。此外，還必須始終考慮體二極管的影響：在升壓級的情況下并沒有什么問題，因為正常工作模式下體二極管不導通。MOSFET的導通損耗可根據(jù)導通阻抗RDS(ON)來計算，對于給定的MOSFET 系列，這與有效裸片面積成比例關系。當額定電壓從600V 變化到1200V時，MOSFET的傳導損耗會大大增加，因此，即使額定RDS(ON) 相當，1200V的 MOSFET也不可用或是價格太高。

對于額定600V的升壓開關，可采用超結(jié)MOSFET。對高頻開關應用，這種技術具有最佳的導通損耗。目前市面上有采用TO-220封裝、RDS(ON) 值低于100毫歐的MOSFET和采用TO-247封裝、RDS(ON) 值低于50毫歐的MOSFET。

對于需要1200V功率開關的太陽能逆變器，IGBT是適當?shù)倪x擇。較先進的IGBT技術，比如NPT Trench 和 NPT Field Stop，都針對降低導通損耗做了優(yōu)化，但代價是較高的開關損耗，這使得它們不太適合于高頻下的升壓應用。

飛兆半導體在舊有NPT平面技術的基礎上開發(fā)了一種可以提高高開關頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有43uJ/A的 EOFF ，比較采用更先進技術器件的EOFF為80uJ/A，但要獲得這種性能卻非常困難。FGL40N120AND器件的缺點在于飽和壓降VCE(SAT) (3.0V 相對于125?C的 2.1V) 較高，不過它在高升壓開關頻率下開關損耗很低的優(yōu)點已足以彌補這一切。該器件還集成了反并聯(lián)二極管。在正常升壓工作下，該二極管不會導通。然而，在啟動期間或瞬變情況下，升壓電路有可能被驅(qū)使進入工作模式，這時該反并聯(lián)二極管就會導通。由于IGBT本身沒有固有的體二極管，故需要這種共封裝的二極管來保證可靠的工作。

對升壓二極管，需要StealthII或碳硅二極管這樣的快速恢復二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。不過目前它們的價格都很高昂。

在選擇升壓二極管時，必須考慮到反向恢復電流 (或碳硅二極管的結(jié)電容) 對升壓開關的影響，因為這會導致額外的損耗。在這里，新推出的 Stealth II 二極管 FFP08S60S可以提供更高的性能。當VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為 100°C時，計算得出的開關損耗低于FFP08S60S的參數(shù)205mJ。而采用ISL9R860P2 Stealth 二極管，這個值則達 225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關頻率下的效率。

用于橋接和專用級的開關和二極管

濾波之后，輸出橋產(chǎn)生一個50Hz的正弦電壓及電流信號。一種常見的實現(xiàn)方案是采用標準全橋結(jié)構 (圖2)。圖中若左上方和右下方的開關導通，則在左右終端之間加載一個正電壓;右上方和左下方的開關導通，則在左右終端之間加載一個負電壓。

對于這種應用，在某一時段只有一個開關導通。一個開關可被切換到PWM高頻下，另一開關則在50Hz低頻下。由于自舉電路依賴于低端器件的轉(zhuǎn)換，故低端器件被切換到PWM高頻下，而高端器件被切換到50Hz低頻下。

圖2：MOSFET全橋

這應用采用了600V的功率開關，故600V超結(jié)MOSFET非常適合這個高速的開關器件。由于這些開關器件在開關導通時會承受其它器件的全部反向恢復電流，因此快速恢復超結(jié)器件如600V FCH47N60F是十分理想的選擇。它的RDS(ON) 為73毫歐，相比其它同類的快速恢復器件其導通損耗很低。當這種器件在50Hz下進行轉(zhuǎn)換時，無需使用快速恢復特性。這些器件具有出色的dv/dt和di /dt特性，比較標準超結(jié)MOSFET可提高系統(tǒng)的可靠性。

另一個值得探討的選擇是采用FGH30N60LSD器件。它是一顆飽和電壓VCE(SAT) 只有1.1V的30A/600V IGBT。其關斷損耗 EOFF非常高，達10mJ ，故只適合于低頻轉(zhuǎn)換。一個50毫歐的MOSFET在工作溫度下導通阻抗RDS(ON) 為100毫歐。因此在11A時，具有和IGBT的VCE(SAT) 相同的VDS。由于這種IGBT基于較舊的擊穿技術，VCE(SAT) 隨溫度的變化不大。因此，這種IGBT可降低輸出橋中的總體損耗，從而提高逆變器的總體效率。

FGH30N60LSD IGBT在每半周期從一種功率轉(zhuǎn)換技術切換到另一種專用拓撲的做法也十分有用。IGBT在這里被用作拓撲開關。在較快速的轉(zhuǎn)換時則使用常規(guī)及快速恢復超結(jié)器件。

對于1200V的專用拓撲及全橋結(jié)構，前面提到的FGL40N120AND是非常適合于新型高頻太陽能逆變器的開關。當專用技術需要二極管時，Stealth II、Hyperfast™ II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。