帶你了解主流商用組串式太陽能逆變器的拓撲結構

隨著文明程度和人口密度的不斷激增，二氧化碳排放速率的不斷增加開始變得難以控制。碳排放引起的全球變暖將導致氣候惡化，最終破壞地球的生態。因此，作為解決方案，我們需要使用清潔能源，例如風能和太陽能。

太陽能帶來的一些好處包括:

●   可再生 - 太陽可以持續不斷提供太陽能能源。

●   零碳排放 - 太陽能由太陽能面板產生。

●   運維成本低 - 光伏發電系統建成后，發電成本較低。

組串式逆變器主導太陽能逆變器市場

針對不同的終端應用(住宅、商業、公用事業)，有多種類型的太陽能逆變器(集中式、組串式、微型)。組串式逆變器以其靈活、易于維護的特點，正在成為主流太陽能逆變器類型。組串式光伏逆變器的單機故障對總發電量影響有限，其余逆變器可繼續照常工作。同時，更小的尺寸更易于安裝，無需重型機械即可完成安裝。隨著功率器件的不斷迭代，單組逆變器的功率水平/功率密度不斷提升，單價和體積越來越小，這推動組串式逆變器成為商用逆變器市場的主流選擇。

圖 1.組串式逆變器(12×225 kVA) 與集中式逆變器 (1×2.5 MVA)

組串式太陽能逆變器典型框圖

組串式逆變器系統的主要組件是光伏電池板串或陣列、DC-DC升壓轉換器、DC-Link電容器和逆變器(DC-AC 轉換器)。DC-DC級實現兩個主要功能，將PV 串的輸出電壓提升至DC-Link工作電壓水平，并實施 MPPT(最大功率點跟蹤) 功能，使光伏面板在不同環境和太陽輻照度下產生的功率最大化。逆變器在該系統中起著最重要作用，負責將直流電轉換為交流電，用于正常的住宅用電或并網。

圖 2.組串式大陽能逆變器典型框圖

DC-DC 升壓級的主流拓撲結構

1100V 是大型住宅、商業和分布式公用事業規模應用中組串式逆變器的常見直流母線電壓。然而，使用 1500V 或更高電壓可以節省銅線和開關設備的成本，因為當總輸出功率保持不變時電流會降低，這也意味著在范圍更廣的溫度和輻照條件下可以捕獲更高的能量。

DC-DC升壓級的拓撲結構主要有三種，區別主要在于適用功率段不同。飛跨電容升壓和對稱升壓作為三電平拓撲，可以降低施加到開關的電壓，最終獲得更好的效率和功率密度。其次，可以選擇更小、更輕的電感，因為電感上的紋波電流減少。但是，應該注意額外開關器件帶來的成本和驅動問題。

3 通道飛跨電容升壓 

SiC 混合集成功率模塊

特性

●   1000V低VCE(SAT) 快速開關IGBT和1200 V SiC二極管

●   具有低熱阻基板的模塊

●   提供焊接引腳和壓接式引腳選項

●   內部NTC熱敏電阻

優勢

●   易于組裝。更高的輸出功率

●   靈活支持不同制造工藝

●   出色的效率和熱損耗。輸出功率高于 1200V IGBT 解決方案

應用

●   1500 V 組串式工商業用光伏逆變器

SiC MOSFET 1200 V, 20mΩ, TO247-4L

特性

●   最大RDS(ON)=28mΩ (Vgs=20V, ld=60A時)

●   高速開關和低電容

●   使用開爾文引腳減少回路電感

●   無鉛且符合RoHS標準

應用

●   DC-DC/DC-AC

●   大功率轉換

DC-AC 逆變器級的主流拓撲結構

逆變器級決定了總效率和輸出質量，同樣，三電平拓撲結構最有助于為大功率三相逆變器系統帶來改進。除了降低開關損耗和半導體要求外，還可以降低 EMI，因為傳導 EMI 主要與電流紋波有關。此外，三電平系統可以提供更好的正弦電壓波形，這種高質量的輸出可以減少電纜的壓力和高靈敏度電氣設備的風險

圖 3.兩電平半橋與三電平I-NPC 的比較

兩電平系統設計中的 MOSFET 或IGBT 需要承受全總線電壓，這將增加大功率大陽能逆變器的成本。此外，高 dV/dt 和 dl/dt 應力會導致不良的總諧波失真(THD) 和輸出波形。

單通道I-NPC

SiC 混合集成功率模塊

特性

●   1000V低VQE(SAT)用于DC-AC轉換的快速開關IGBT和 1200V SiC二極管優化組合

●   具有低熱阻基板的模塊

●   提供焊接引腳和壓接式引腳選項

●   內部 NTC 熱敏電阻

優勢

●   易于組裝，輸出功率更高。靈活支持不同制造工藝

●   在正常和無功功率條件下具有出色的效率和熱損耗

應用

●   1500 V 組串式工商業用光伏逆變器

2件裝半橋全SiC功率集成模塊

特性

●   2×1200V SiC MOSFET, RDS(ON)=10m2

●   低熱阻

●   內部 NTC 熱敏電阻

優勢

●   在更高的電壓下，RDS(ON) 進一步降低

●   更高的效率或更高的功率密度

●   提供預涂高可靠性熱界面(TIM) 選項

應用

●   三相太陽能逆變器

●   儲能系統

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