新型逆變器優(yōu)化光伏系統設計

　　近年來光伏發(fā)電在各國的普及和應用取得可觀的進展。作為電能轉換的關鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對于光伏系統的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。本文在簡要回顧了太陽能市場近年來的發(fā)展之后，著重分析了逆變器">太陽能逆變器的設計需要并由此闡述了功率半導體器件與電路拓撲方面的優(yōu)選原則。

　　隨著對綠色能源不斷增長的需求， 太陽能發(fā)電近年來的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關注。2009年度以美國為例，太陽能工業(yè)總產值在整體經濟低迷的形勢下仍增長了百分之三十六，并吸引了高達14億美元的風險投資。據有關方面的可靠報導，在未來三年里，全世界對光伏發(fā)電系統的年需求將保持百分之三十的速度遞增。這樣的高增長率預測是基于以下幾個因素：目前過剩的生產能力已經將光伏系統的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統的安裝價格在持續(xù)下降；世界范圍內各國與地區(qū)的政府補貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補貼扶持政策陸續(xù)推出。如其中最具影響的金太陽工程――提出對光伏并網項目和無電地區(qū)離網光伏發(fā)電項目分別給予50%及70%的財政補貼?？梢韵嘈牛袊柲墚a業(yè)現在處于一個高速發(fā)展的時期。

　　電力電子的設計對于太陽能發(fā)電系統的整體效能具有舉足輕重的地位。最高的轉換效率永遠是系統設計工程師考慮的首要因素。由于光電轉換板的效率很低，通常不超過百分之二十，因此太陽能逆變器的轉換效率對于減小太陽能板總面積和系統總體積就至關重要。除此之外，在電能轉換過程的功率損耗直接導致了半導體晶圓的溫度升高，所以要通過散熱器有效耗散這部分損耗能量。器件工作時的溫升和熱應力是影響可靠性的重要參數，換言之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源，還提高了系統可靠性，縮減了系統體積和成本。本文將闡述以提高能效為目標的太陽能逆變器設計原則，并介紹市場上應運而生的各種新器件，新電路和最新控制技術。

　　電路拓撲

　　要把太陽能轉換板輸出的“粗電”（波動的直流電壓）變成恒定可靠的正弦波交流市電，實現方式通常分為兩種構架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。直流-直流斬波器能夠保持逆變器輸入側電壓的恒定和可調，從而實現電壓和功率控制之間的解耦。有些時候也利于電力半導體器件的選取和系統成本優(yōu)化。但是，毋庸置疑，這一級額外的變換裝置很可能對系統效率帶來負面影響，所以越來越多的廠商在開發(fā)或評估單級變換的架構，即使這樣會面臨更復雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓撲結構中，HERIC？ 和多電平結構吸引了業(yè)界更多的關注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網相聯的情況下。

　　圖 1： HERIC 拓撲結構

　　圖 2 ：三電平鉗位二極管拓撲。

　　如圖1所示，HERIC逆變器的結構是在傳統的單相逆變全橋基礎上新增加了一對二極管串聯開關反并聯作為輸出。新增電路中的開關器件以工頻周波速度開關，對于器件速度沒有特殊需求。在應用了適當的相位控制之后，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個系統的效率。應當指出，這種拓撲結構現在仍然處于Sunways所獲專利的有效期之內，因而在歐洲的應用相對于亞洲和北美要廣泛。

　　三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關注的一種新型太陽能逆變電路拓撲，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽能發(fā)電應用中。圖2所示的三相三電平電路的每個橋臂由4只帶反并聯二極管的開關串聯而成，另外每相有一個二極管相臂跨接在主開關之間，且其中點和直流母線的中性點直接連通。這個二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時，每個主開關器件所受最大電壓應力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓撲結構，三電平輸出具有低次諧波小（交流輸出更接近正弦），電磁噪聲水平低，所需開關器件的電壓耐量低和級數可擴展等優(yōu)點。在太陽能并網發(fā)電時，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。此外，多電平電路對于系統成本的節(jié)約意義顯著。體現在三個方面：首先，實踐證明，高壓半導體開關器件的價格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電平電路的器件成本更低；其次，輸出電壓的諧波小，所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小，從而降低了濾波設備成本；最后，由于開管數量的增多，即使在脈寬調制方式下，三電平的部分主開關可以在低頻下開關，就可以采用相對經濟的開關器件。

　　近年來光伏發(fā)電在各國的普及和應用取得可觀的進展。作為電能轉換的關鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對于光伏系統的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。本文在簡要回顧了太陽能市場近年來的發(fā)展之后，著重分析了太陽能逆變器的設計需要并由此闡述了功率半導體器件與電路拓撲方面的優(yōu)選原則。

　　隨著對綠色能源不斷增長的需求， 太陽能發(fā)電近年來的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關注。2009年度以美國為例，太陽能工業(yè)總產值在整體經濟低迷的形勢下仍增長了百分之三十六，并吸引了高達14億美元的風險投資。據有關方面的可靠報導，在未來三年里，全世界對光伏發(fā)電系統的年需求將保持百分之三十的速度遞增。這樣的高增長率預測是基于以下幾個因素：目前過剩的生產能力已經將光伏系統的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統的安裝價格在持續(xù)下降；世界范圍內各國與地區(qū)的政府補貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補貼扶持政策陸續(xù)推出。如其中最具影響的金太陽工程――提出對光伏并網項目和無電地區(qū)離網光伏發(fā)電項目分別給予50%及70%的財政補貼?？梢韵嘈牛袊柲墚a業(yè)現在處于一個高速發(fā)展的時期。

　　電力電子的設計對于太陽能發(fā)電系統的整體效能具有舉足輕重的地位。最高的轉換效率永遠是系統設計工程師考慮的首要因素。由于光電轉換板的效率很低，通常不超過百分之二十，因此太陽能逆變器的轉換效率對于減小太陽能板總面積和系統總體積就至關重要。除此之外，在電能轉換過程的功率損耗直接導致了半導體晶圓的溫度升高，所以要通過散熱器有效耗散這部分損耗能量。器件工作時的溫升和熱應力是影響可靠性的重要參數，換言之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源，還提高了系統可靠性，縮減了系統體積和成本。本文將闡述以提高能效為目標的太陽能逆變器設計原則，并介紹市場上應運而生的各種新器件，新電路和最新控制技術。

　　電路拓撲

　　要把太陽能轉換板輸出的“粗電”（波動的直流電壓）變成恒定可靠的正弦波交流市電，實現方式通常分為兩種構架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。直流-直流斬波器能夠保持逆變器輸入側電壓的恒定和可調，從而實現電壓和功率控制之間的解耦。有些時候也利于電力半導體器件的選取和系統成本優(yōu)化。但是，毋庸置疑，這一級額外的變換裝置很可能對系統效率帶來負面影響，所以越來越多的廠商在開發(fā)或評估單級變換的架構，即使這樣會面臨更復雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓撲結構中，HERIC？ 和多電平結構吸引了業(yè)界更多的關注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網相聯的情況下。

　　圖 1： HERIC 拓撲結構

　　圖 2 ：三電平鉗位二極管拓撲。

　　如圖1所示，HERIC逆變器的結構是在傳統的單相逆變全橋基礎上新增加了一對二極管串聯開關反并聯作為輸出。新增電路中的開關器件以工頻周波速度開關，對于器件速度沒有特殊需求。在應用了適當的相位控制之后，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個系統的效率。應當指出，這種拓撲結構現在仍然處于Sunways所獲專利的有效期之內，因而在歐洲的應用相對于亞洲和北美要廣泛。

　　三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關注的一種新型太陽能逆變電路拓撲，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽能發(fā)電應用中。圖2所示的三相三電平電路的每個橋臂由4只帶反并聯二極管的開關串聯而成，另外每相有一個二極管相臂跨接在主開關之間，且其中點和直流母線的中性點直接連通。這個二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時，每個主開關器件所受最大電壓應力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓撲結構，三電平輸出具有低次諧波?。ń涣鬏敵龈咏遥姶旁肼曀降?，所需開關器件的電壓耐量低和級數可擴展等優(yōu)點。在太陽能并網發(fā)電時，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。此外，多電平電路對于系統成本的節(jié)約意義顯著。體現在三個方面：首先，實踐證明，高壓半導體開關器件的價格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電平電路的器件成本更低；其次，輸出電壓的諧波小，所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小，從而降低了濾波設備成本；最后，由于開管數量的增多，即使在脈寬調制方式下，三電平的部分主開關可以在低頻下開關，就可以采用相對經濟的開關器件。

　　電力電子器件的常用種類和選型原則

　　用于廣義的太陽能逆變器（含輸入直流斬波級）的功率半導體器件主要有MOSFET， IGBT， Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價格便宜并適用于大電流的應用場合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產品，在實際設計中被廣為應用。概括地說，選用哪類器件取決于成本，效率的要求并兼顧開關頻率。如果要求硬開關在100千赫以上，一般只有MOSFET能夠勝任。在較低頻段如15千赫，如沒有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于客戶對轉換效率和成本的具體要求。系統效率和成本之間作為一對矛盾，設計工程師將根據其相應關系對照目標系統要求以確定最貼近系統要求的元件型號。為了幫助設計人員量化的分析效率和器件成本之間的關系，表一羅列了三種半導體開關器件的功率損耗和價格因素，為了便于比較，各參數均以MOSFET情況作歸一化處理。超結MOSFET 工藝目前沒有超過900V 的器件。

　　表1 常用開關器件的性能與價格對照表 （所有數字以MOSFET情況歸一化）

　　除去以上最典型的三類全控開關器件，業(yè)界還存在像碳化硅二極管和ESBT？ 等基于新材料和新工藝的產品。它們目前的價格還比較高，主要應用于對太陽能發(fā)電效率有特殊要求的場合。但隨著生產工藝的不斷進步和器件單價的下降，這類器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a品，甚至替代上述的某一類器件。

　　工業(yè)界的最新產品

　　由于太陽能發(fā)電市場的龐大規(guī)模與發(fā)展?jié)摿?，世界各大半導體生產廠商都競相推出自己的產品追逐市場。近幾年來，各種針對太陽能功率變換的新器件和新技術層出不窮。在如火如荼的市場競爭中，美高森美（microsemi）的太陽能系列產品以其先進工藝和應用技術而獨樹一幟。

　　單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

　　圖3所示的混合單相全橋功率模塊是專用于太陽能單相逆變的產品。配合以單極型調制方法，每個橋臂的兩只開關管分別工作在完全相異開關頻率范圍。以圖示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調制頻率下動作。根據這種工作特點，上管總是選用相對便宜的門極溝道型（Trench） IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，而下管可選擇非穿通型（NPT） IGBT以減少開關損耗。這種拓撲結構不但保障了最高系統轉換效率還降低了整個逆變設備的成本。圖4給出了不同器件搭配的轉換效率曲線以印證這種太陽能功率模塊的優(yōu)越性?？梢园l(fā)現，這種混合器件配置在不同負載下能實現98%以上的轉換效率。

　　圖3 ：混合器件太陽能逆變模塊。

　　圖4 ：不同器件搭配的逆變器效率對比。

　　在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件的機制。其主旨在于充分利用兩端器件開關頻率遠高于中間相鄰兩器件。因而APTCV60 系列三電平模塊使用兩頭超結MOSFET中間Trench IGBT的結構進一步提高效率。

　　ESBT

　　ESBT 是應用于太陽能的一種新型高電壓快速開關器件，它兼顧了IGBT 和MOSFET 的優(yōu)點，不僅電壓耐量高于MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市場的ESBT 太陽能升壓斬波器模塊集成了碳化硅二極管和ESBT， 面向5千瓦至20千瓦的超高效率升壓應用。其電壓耐量為1200V， 集電極和射極間飽和通態(tài)電壓很低 （接近1V），優(yōu)化開關頻率在30千赫至40千赫之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。實驗表明，這種功率模塊比目前市場上對應的IGBT模塊減少40% 的損耗。根據6千瓦的參考設計實驗結果，此模塊在50%至滿負載之間，轉換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個百分點。因此，在碳化硅全控器件的價格下降到可接受的范圍之前，對于超高效率的太陽能功率變換應用，ESBT將是開關器件的不二之選。

　　圖5 ： ESBT 升壓斬波模塊。

　　旁路二極管

　　位于太陽能逆變器前端的旁路二極管，嚴格來說雖然不屬于逆變部分，但是作為太陽能發(fā)電設備的一部分，對于逆變器運行乃至整個系統的可靠性也至關重要。美高森美新針對此應用推出兩款新產品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技術—CoolRUNTM工藝，無需散熱器，通過10A電流時溫升小于10？C。 以30年穩(wěn)定運行為目標的可靠性設計保證了100uA以下漏電流，20A 的穩(wěn)態(tài)電流能力，和雙向抗閃電功能。其最大特點是業(yè)界最低溫升。SFDS1045是新一代肖特基二極管，也是迄今為止業(yè)界最薄的旁路二極管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封裝之下，特別適合直接應用于太陽能板。另外其獨特的柔韌銅引腳具有衛(wèi)星應用級別的可靠性。

　　結論

　　提高轉換效率和降低成本是太陽能逆變器設計的長期課題，也是工程設計人員面臨的最大挑戰(zhàn)。本文以如何設計優(yōu)化的新一代太陽能功率變換系統出發(fā)，討論了集中式太陽能逆變器的設計原則，典型拓撲結構和開關器件的選型方法。闡述了設計工程師如何運用器件，電路與系統各個層次上的新技術優(yōu)化逆變器系統設計的方案。實踐證明，美高森美的多個相關新產品能夠從多個方面優(yōu)化系統性能，為太陽能逆變器市場提供了高效，可靠，經濟的系統解決方案。