光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)及設(shè)計思路

　　這里標準的應(yīng)用是使用三相全橋電路?？紤]到直流母線電壓會達到1000v，那開關(guān)器件就必須使用1200v的。而我們知道，1200v功率器件的開關(guān)速度會比600v器件慢很多，這就會增加損耗，影響效率。對于這種應(yīng)用，一個比較好的替代方案是使用中心點箝位(npc=neutral point clamped)的拓撲結(jié)構(gòu)(見圖8)。這樣就可以使用600v的器件取代1200v的器件。

　　圖8 三相無變壓器npc光伏逆變器原理圖

　　為了盡量降低回路中的寄生電感，最好是把對稱的雙boost電路和npc逆變橋各自集成在一個模塊里。

　　(1) 雙boost模塊技術(shù)參數(shù)(見圖9)

　　圖9 flowsol-npb—對稱雙boost電路

　　●雙boost電路都是由mosfet(600v/45 mω)和sic二極管組成;

　　●旁路二極管主要是當輸入超過額定負載時，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;

　　●模塊內(nèi)部集成溫度檢測電阻。

　　(2) npc逆變橋模塊的技術(shù)參數(shù)(見圖10)

　　圖10 flowsol-npi -npc逆變橋

　　●中間換向環(huán)節(jié)由75a/600v的igbt和快恢復(fù)二極管組成;

　　●上下高頻切換環(huán)節(jié)由mosfet(600v/45 mω)組成;

　　●中心點箝位二極管由sic二極管組成;

　　●模塊內(nèi)部集成溫度檢測電阻。

　　對于這種拓撲結(jié)構(gòu)，關(guān)于模塊的設(shè)計要求基本類似于前文提到的單相逆變模塊，唯一需要額外注意的是，無論是雙boost電路還是npc逆變橋，都必須保證dc+，dc-和中心點之間的低電感設(shè)計。

　　有了這兩個模塊，就很容易設(shè)計更高功率輸出光伏逆變器。例如使用兩個雙boost電路并聯(lián)和三相npc逆變橋就可以得到一個高效率的10kw的光伏逆變器。而且這兩個模塊的管腳設(shè)計充分考慮了并聯(lián)的需求，并聯(lián)使用非常方便。圖 11是雙boost模塊并聯(lián)和三相npc逆變輸出模塊布局圖。

　　圖11 雙boost模塊并聯(lián)和三相npc逆變輸出模塊布局圖

　　針對1000v直流母線電壓的光伏逆變器，npc拓撲結(jié)構(gòu)逆變器是目前市場上效率最高的。圖12比較了npc模塊(mosfet+igbt)和使用1200v的igbt半橋模塊的效率。

　　圖12 npc逆變橋輸出效率(實線)和半橋逆變效率(虛線)比較

　　根據(jù)仿真結(jié)果，npc逆變器的歐效可以達到99.2%，而后者的效率只有96.4%。npc拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是顯而易見的。

　　7 下一代光伏逆變器拓撲的設(shè)計思路介紹

　　目前混合型h橋(mosfet+igbt)拓撲已經(jīng)取得了較高的效率等級。而下一代的光伏逆變器，將會把主要精力集中在以下性能的改善：

　　(1) 效率的進一步提高;

　　(2) 無功功率補償;

　　(3) 高效的雙向變換模式。

　　7.1 單相光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

　　對于單相光伏逆變器，首先討論如何進一步提高混合型h橋拓撲的效率(見圖13)。

　　在圖13中，上橋臂igbt的開關(guān)頻率一般設(shè)定為電網(wǎng)頻率(例如50hz)，而下橋臂的mosfet則工作在較高的開關(guān)頻率下，例如16khz，來實現(xiàn)輸出正弦波。仿真顯示，這種逆變器拓撲在2kw額定功率輸出時，效率可以達到99.2%。由于mosfet內(nèi)置二極管的速度較慢，因此mosfet不能被用在上橋臂。

　　圖13 光伏逆變器的發(fā)展-混合型

　　由于上橋臂的igbt工作在50hz的開關(guān)頻率下，實際上并不需要對該支路進行濾波。因此對電路拓撲進行優(yōu)化，可以得到圖14所示的發(fā)射極開路型拓撲。這種拓撲的優(yōu)點是只有有高頻電流經(jīng)過的支路才有濾波電感，從而減小了輸出濾波電路的損耗。

　　圖14 改進的無變壓器上橋臂發(fā)射極開路型拓撲

　　目前vincotech公司已經(jīng)有標準的發(fā)射極開路型igbt模塊產(chǎn)品，型號是flowsol0-bi open e (p896-e02)，如圖15所示。

　　圖15 flowsol0-bi-open e (p896-e02)

　　技術(shù)參數(shù)：

　　(1) 升壓電路采用mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成;

　　(2) 旁路二極管主要是當輸入超過額定負載時，旁路boost電路，從而改善逆變器整體效率;

　　(3) h橋的上橋臂采用igbt(600v/75a)和sic二極管，下橋臂采用mosfet(600v/45 mω);

　　(4) 模塊內(nèi)部集成溫度檢測電阻。

　　下面再來分析一下圖14所示的發(fā)射極開路型拓撲。當下橋臂的mosfet工作時，與上橋臂igbt反并聯(lián)的二極管卻由于濾波電感的作用沒有工作，這樣就可以在上橋臂也使用mosfet，在輕載時提高逆變器的效率。仿真結(jié)果顯示，在2kw額定功率輸出時，這種光伏逆變器的歐效可以提高0.2%，從而使效率達到99.4%。在實際的應(yīng)用場合中，這種拓撲對效率的提高會更多，因為仿真結(jié)果是在假定芯片結(jié)溫125℃的情況下得到的，但由于mosfet體積較大，且光伏逆變器經(jīng)常工作在輕載情況下，mosfet芯片結(jié)溫遠遠低于125℃，因此實際工作時mosfet的導(dǎo)通阻抗rds-on將比仿真時的數(shù)值要低，損耗相應(yīng)也會更小。

　　如何解決無功功率的問題呢?這種電路拓撲處理無功功率的唯一方法就是使用fred-fet，但這些器件的導(dǎo)通阻抗rds-on通常都很高。另一個缺點是其反向恢復(fù)特性較差，影響無功補償和雙向變換時的性能。但是在某些特殊應(yīng)用中，如果必須通過無功功率來測量線路阻抗或者保護某些元器件，那么圖16所示拓撲將可以滿足以上要求。