太陽能逆變器架構(gòu)組件全揭秘（圖文）

　　電解電容非常適合控制紋波，因為它們具有較低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和較高的電容容量。沿著圖2中PCB上邊緣的是平滑電容器組。

　　升壓型DC-DC步進轉(zhuǎn)換器

　　下一個器件是步進DC-DC轉(zhuǎn)換器，它負責(zé)將直流輸入升壓到開關(guān)MOSFET橋，以便逆變器能夠高效地產(chǎn)生230V, 50Hz交流正弦波傳輸給電網(wǎng)。這個DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器連同H5開關(guān)橋包含在單獨的電源模塊中，該電源模塊附在逆變器主板的背面，可以很好地散熱到底座。這個模塊在最終裝配時將被安裝在圖2主板上部的中間部分。

　　圖4顯示了典型的無變壓器配置系統(tǒng)中的基本的DC/AC轉(zhuǎn)換電路或逆變器。其中：DC/DC轉(zhuǎn)換提升或降低輸入的PV電壓，調(diào)整其輸出以達到DC/AC轉(zhuǎn)換級中的最大效率；電容器提供進一步的電壓緩沖；H4橋中的IGBT或MOSFET利用20kHz范圍內(nèi)的開關(guān)頻率產(chǎn)生交流電壓；線圈使交流電壓平滑切換為正弦信號，用于產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流輸出。　　無變壓器逆變器技術(shù)

　　早在光伏市場發(fā)展之前，無變壓器開關(guān)技術(shù)的理念就已存在了。設(shè)備工程師知道，一對場效應(yīng)管在完全開啟或關(guān)閉的狀態(tài)下工作效率最高，因為這時沒有電流經(jīng)過它們，而且它們也不產(chǎn)生功率損耗。因此，放大一個理想方波的理論效率可達100%。信號被一個更高頻率的方波調(diào)制，其結(jié)果就是脈寬調(diào)制(PWM),這個電路被稱為D類電路。用這種方式，就可能實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換，或DC到AC的高效切換。對于太陽能逆變器而言，由于MOSFET和IGBT器件的成本高昂，所以這種技術(shù)在以往并不適用。不過，隨著這些器件成本不斷降低并且速度更快，相比于模擬切換到大量的銅鐵器件，該技術(shù)更具成本效益。這種技術(shù)也可用于制造電動汽車。

　　在歐洲，無變壓器逆變器至今已經(jīng)應(yīng)用了幾年，SMA公司在2010年8月獲得UL認證在美國銷售此類產(chǎn)品。這個認證適用于SMA的無變壓器逆變器Sunny Boy 8000TL-US, Sunny Boy 9000TL-US 和Sunny Boy 10000TL-US ，并保證符合針對光伏和電池供電逆變器的UL 1741標準，該標準首次涵蓋了無變壓器逆變器的規(guī)范要求。與采用電隔離的器件相比，無變壓器逆變器要簡潔得多；而且，憑借先進的開關(guān)電路，無變壓器逆變器能提供比傳統(tǒng)逆變器更寬的工作電壓范圍。

圖4： 無變壓器DC/AC轉(zhuǎn)換電路—逆變器(TI提供)

　　沒有電隔離的負面結(jié)果是可能導(dǎo)致接地故障，損壞逆變器并引發(fā)電火花。在有變壓器的情況下，如果次級電路發(fā)生短路，那么所有電流都將流經(jīng)初級電路，一旦變壓器過熱，就將被熱切斷阻止（希望如此）。在無變壓器情況下，如果沒有保護電路或保護電路失效，未能探測到接地故障或跳閘，大功率MOSFET或IGBT將立刻以一種災(zāi)難性的方式失效。幸運的是，這類事件的發(fā)生非常罕見，而且所有這種逆變器都要遵循UL 1741要求，具備接地故障保護功能。無論如何，都要保持具備這種功能，以確保在調(diào)整合路器及隔離熔斷器大小時將未探測到接地故障時的反饋電流考慮進去。

　　如果能夠執(zhí)行準確簡單的計算，無變壓器逆變器就幾乎沒有缺點，而且具有眾多優(yōu)點。

　　不過，光伏逆變器還有很多其他的關(guān)鍵功能。

　　光伏逆變器還提供電網(wǎng)切斷功能，以防光伏系統(tǒng)給已經(jīng)切斷的設(shè)施供電；也就是說，在電網(wǎng)切斷期間或者通過一個不可靠的連接傳輸電力時，逆變器保持在線，這會導(dǎo)致光伏系統(tǒng)回輸給本地設(shè)備變壓器，在設(shè)備端產(chǎn)生數(shù)千伏電壓，并危及作業(yè)人員。安全標準規(guī)范IEEE 1547和 UL 1741要求，交流線電壓或頻率不在規(guī)定限制內(nèi)時，所有的并網(wǎng)逆變器必須切斷，或者，在電網(wǎng)不再存在時完全關(guān)斷。在重新連接時，要等到逆變器探測到額定設(shè)備電壓和頻率超過5分鐘的時間，逆變器才能傳輸電力。如圖2右上象限所示，使用了4個額定值為22A、250VAC的LF-G繼電器。

　　但這還不是逆變器的最后職責(zé)。除了上述任務(wù)之外，逆變器在工作期間還支持手動和自動的輸入/輸出切斷，EMI/RFI傳導(dǎo)和輻射干擾抑制、接地故障中斷、PC兼容通信接口(“陽光男孩”系列具有藍牙功能)，以及其他更多功能。該逆變器被安裝在一個堅固的封箱中，以期在戶外滿功率工作25年以上！　　像SMA主板這樣的典型單相光伏逆變器使用了一顆數(shù)字功率控制器、DSP，以及一對高邊/低邊柵極驅(qū)動器來驅(qū)動全橋PWM轉(zhuǎn)換器。該逆變器和許多性能優(yōu)良的逆變器應(yīng)用都采用全H橋拓撲，因為它具有任何開關(guān)模式拓撲的最高功率承載能力。SMA采用H5技術(shù)，在輸出電容器和H橋之間的第5個功率半導(dǎo)體器件阻止了電荷的激勵振蕩損耗，并再次顯著降低了功率損耗。與經(jīng)典的逆變橋電路(H4拓撲) 相比，H5獲得了明顯改進，其最大轉(zhuǎn)換效率達98%。為防止光伏發(fā)電機的電力波動，在逆變器的空運行期間，該架構(gòu)將直流側(cè)與交流側(cè)斷開。

　　與圖4中的H4橋相比，圖5所示的H5拓撲僅需多一個開關(guān)器件。開關(guān)器件T5、T2和T4工作在20kHz左右的高頻，T1和T3工作在電網(wǎng)頻率50 Hz。在空運行期間，T5是開路的，以斷開直流和交流側(cè)。正向電流空運行路徑通過T1、T3的反向二極管，反向電流通過T3和T1的二極管形成環(huán)路。

圖5： SMA的H5橋拓撲

　　PWM電壓開關(guān)動作在全橋輸出端形成了離散嘈雜的50Hz電流波形。高頻噪聲成分被濾除并產(chǎn)生一個中等低幅度的50Hz正弦波。H橋采用不對稱單極性調(diào)制方法工作。不對稱H橋的高邊應(yīng)由取決于主線路極性的50Hz半波驅(qū)動；而對應(yīng)的低邊則經(jīng)PWM調(diào)制形成正弦波。圖2所示逆變