深度分析如何提高太陽(yáng)能逆變器轉(zhuǎn)換效率

引言

由于對(duì)可再生能源的需求，太陽(yáng)能逆變器 (光電逆變器) 的市場(chǎng)正在不斷增長(zhǎng)。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。本文對(duì)這些逆變器中采用的功率電路進(jìn)行了考察，并推薦了針對(duì)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(yáng)光照射在通過串聯(lián)方式連接的太陽(yáng)能模塊上，每一個(gè)模塊都包含了一組串聯(lián)的太陽(yáng)能電池 (Solar Cell)單元。太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生的直流 (DC) 電壓在幾百伏的數(shù)量級(jí)，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(lái)實(shí)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(jí)之后是一個(gè)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(gè)全橋變換器是用來(lái)從第一級(jí)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(diǎn)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(jí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把升壓和AC交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個(gè)專用拓?fù)渲小?/p>

圖1：太陽(yáng)能逆變器系統(tǒng)原理示意圖

盡管太陽(yáng)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(guó)，安裝在朝南屋頂上的3kW串聯(lián)模塊預(yù)計(jì)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(yáng)能模塊產(chǎn)生這25kWh的費(fèi)用與增加一個(gè)逆變器相當(dāng)。由于效率從95% 提高到 96% 不會(huì)使到逆變器的成本加倍，故對(duì)更高效的逆變器進(jìn)行投資是必然的選擇。對(duì)新興設(shè)計(jì)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(jì)準(zhǔn)則。

至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。更高的效率可以降低負(fù)載周期上的溫度波動(dòng)，從而提高可靠性，因此，這些準(zhǔn)則實(shí)際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會(huì)提高可靠性。

圖1所示的所有拓?fù)涠夹枰焖俎D(zhuǎn)換的功率開關(guān)。升壓級(jí)和全橋變換級(jí)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(duì)這些拓?fù)湟埠苡杏锰?。?duì)于任何特定的硅技術(shù)，針對(duì)快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開關(guān)比針對(duì)低頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用優(yōu)化的開關(guān)具有更高的導(dǎo)通損耗。

用于升壓級(jí)的開關(guān)和二極管

升壓級(jí)一般設(shè)計(jì)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(yáng)能模塊的數(shù)量，來(lái)選者使用600V還是1200V的器件。

功率開關(guān)的兩個(gè)選擇是MOSFET和 IGBT。一般而言，MOSFET比IGBT可以工作在更高的開關(guān)頻率下。此外，還必須始終考慮體二極管的影響：在升壓級(jí)的情況下并沒有什么問題，因?yàn)檎９ぷ髂Ｊ较麦w二極管不導(dǎo)通。MOSFET的導(dǎo)通損耗可根據(jù)導(dǎo)通阻抗RDS(ON)來(lái)計(jì)算，對(duì)于給定的MOSFET 系列，這與有效裸片面積成比例關(guān)系。當(dāng)額定電壓從600V 變化到1200V時(shí)，MOSFET的傳導(dǎo)損耗會(huì)大大增加，因此，即使額定RDS(ON) 相當(dāng)，1200V的 MOSFET也不可用或是價(jià)格太高。

對(duì)于額定600V的升壓開關(guān)，可采用超結(jié)MOSFET。對(duì)高頻開關(guān)應(yīng)用，這種技術(shù)具有最佳的導(dǎo)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(duì)于需要1200V功率開關(guān)的太陽(yáng)能逆變器，IGBT是適當(dāng)?shù)倪x擇。較先進(jìn)的IGBT技術(shù)，比如NPT Trench 和 NPT Field Stop，都針對(duì)降低導(dǎo)通損耗做了優(yōu)化，但代價(jià)是較高的開關(guān)損耗，這使得它們不太適合于高頻下的升壓應(yīng)用。

飛兆半導(dǎo)體在舊有NPT平面技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種可以提高高開關(guān)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(jìn)技術(shù)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(diǎn)在于飽和壓降VCE(SAT) (3.0V 相對(duì)于125?C的 2.1V) 較高，不過它在高升壓開關(guān)頻率下開關(guān)損耗很低的優(yōu)點(diǎn)已足以彌補(bǔ)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(huì)導(dǎo)通。然而，在啟動(dòng)期間或瞬變情況下，升壓電路有可能被驅(qū)使進(jìn)入工作模式，這時(shí)該反并聯(lián)二極管就會(huì)導(dǎo)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(lái)保證可靠的工作。

對(duì)升壓二極管，需要StealthII或碳硅二極管這樣的快速恢復(fù)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(jià)格都很高昂。

在選擇升壓二極管時(shí)，必須考慮到反向恢復(fù)電流 (或碳硅二極管的結(jié)電容) 對(duì)升壓開關(guān)的影響，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)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(dāng)VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為 100°C時(shí)，計(jì)算得出的開關(guān)損耗低于FFP08S60S的參數(shù)205mJ。而采用ISL9R860P2 Stealth 二極管，這個(gè)值則達(dá) 225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關(guān)頻率下的效率。

用于橋接和專用級(jí)的開關(guān)和二極管

濾波之后，輸出橋產(chǎn)生一個(gè)50Hz的正弦電壓及電流信號(hào)。一種常見的實(shí)現(xiàn)方案是采用標(biāo)準(zhǔn)全橋結(jié)構(gòu) (圖2)。圖中若左上方和右下方的開關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個(gè)正電壓;右上方和左下方的開關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個(gè)負(fù)電壓。

對(duì)于這種應(yīng)用，在某一時(shí)段只有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。一個(gè)開關(guān)可被切換到PWM高頻下，另一開關(guān)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(yīng)用采用了600V的功率開關(guān)，故600V超結(jié)MOSFET非常適合這個(gè)高速的開關(guān)器件。由于這些開關(guān)器件在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)會(huì)承受其它器件的全部反向恢復(fù)電流，因此快速恢復(fù)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(fù)器件其導(dǎo)通損耗很低。當(dāng)這種器件在50Hz下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，無(wú)需使用快速恢復(fù)特性。這些器件具有出色的dv/dt和di /dt特性，比較標(biāo)準(zhǔn)超結(jié)MOSFET可提高系統(tǒng)的可靠性。

另一個(gè)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(guān)斷損耗 EOFF非常高，達(dá)10mJ ，故只適合于低頻轉(zhuǎn)換。一個(gè)50毫歐的MOSFET在工作溫度下導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 為100毫歐。因此在11A時(shí)，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(shù)，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(shù)切換到另一種專用拓?fù)涞淖龇ㄒ彩钟杏谩GBT在這里被用作拓?fù)溟_關(guān)。在較快速的轉(zhuǎn)換時(shí)則使用常規(guī)及快速恢復(fù)超結(jié)器件。

對(duì)于1200V的專用拓?fù)浼叭珮蚪Y(jié)構(gòu)，前面提到的FGL40N120AND是非常適合于新型高頻太陽(yáng)能逆變器的開關(guān)。當(dāng)專用技術(shù)需要二極管時(shí)，Stealth II、Hyperfast™ II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。