采用功率集成模塊設(shè)計出高能效、高可靠性的太陽能逆變器

隨著能源和環(huán)境問題日益凸顯，太陽能作為一種清潔的可再生能源迅速發(fā)展，太陽能發(fā)電設(shè)施激增，其中逆變器必不可少。安森美半導(dǎo)體的功率集成模塊(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆變器設(shè)計。

太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)和儲能系統(tǒng)(ESS)架構(gòu)

在電池供電的工作狀態(tài)下，UPS、ESS和太陽能逆變器由DC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-AC逆變器組成，解決方案享有高度的相似性和通用性。如圖1所示，20至200kVA組串型太陽能逆變器含升壓電感、升壓模塊、直流母線電容、逆變器模塊、交流濾波電感和電容，而20至50kVA的UPS/ESS含輸入濾波、功率因數(shù)校正 (PFC)、整流器、直流母線電容、逆變器模塊、濾波電感和電容。UPS可在斷電或電源不穩(wěn)定的情況下提供備用電源，廣泛用于為電信和數(shù)據(jù)中心、各種工業(yè)設(shè)施等無數(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵器件供電。ESS正越來越多地與可再生能源結(jié)合部署，以保障不間斷的供電并促進電網(wǎng)的現(xiàn)代化。

圖1：太陽能逆變器/UPS/ESS典型框圖

太陽能逆變器/UPS/ESS方案及趨勢

由于對更高能效的需求，逆變器模塊在典型應(yīng)用中普遍采用多電平結(jié)構(gòu)，尤其是3電平(NPC 或 T-NPC) 逆變器很受歡迎，因為3電平比2電平逆變器能效更高，電流總諧波失真(THD)更小，輸入漏電流低，輸出濾波更小更接近理想的正弦波。當然由于IGBT數(shù)、驅(qū)動器數(shù)、輔助電源數(shù)增加，物料單(BOM)成本、控制方案復(fù)雜度也會增加。安森美半導(dǎo)體提供PIM方案，采用不帶工頻變壓器的多串逆變器結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化芯片組及布板以降低損耗，達到高頻開關(guān)，高能效及高功率密度的整體實現(xiàn)。

典型的3電平逆變器拓撲

TNPC、NPC、ANPC是3種典型的3電平逆變器拓撲，TNPC實現(xiàn)低開關(guān)損耗，NPC過去廣泛采用，而ANPC則具備低寄生電感的優(yōu)勢。安森美半導(dǎo)體提供的三電平方案涵蓋20kW至220kW輸出功率，采用Q0、Q1、Q2的不同封裝供不同功率段的用戶選擇。Q0、Q1封裝分別用于達25kW、40kW的升壓模塊和達15kW、20kW的逆變模塊。Q2封裝帶銅基板，因而增強散熱性，用于達220kW的1500V逆變模塊和達90kW的1100V逆變模塊。

表1：典型的3電平逆變器拓撲

推薦的升壓及逆變器模塊及PIM選型指南

表2列出了安森美半導(dǎo)體目前提供的升壓及逆變器模塊。這些模塊都集成高速IGBT、Si/SiC二極管，實現(xiàn)高能效、緊湊的設(shè)計，內(nèi)置熱敏電阻，提供高可靠性，采用焊接/壓合引腳，易于安裝。

表2：推薦的 升壓及逆變器模塊

針對DC-DC升壓模塊，1個MPPT通道可支持最大約25A光伏(PV) 輸入(2個PV板并聯(lián))，各模塊都有不同的MPPT數(shù)、IGBT額定電流、SiC二極管額定值，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用所需的MPPT數(shù)和每路MPPT的功率選用適當?shù)哪K和模塊數(shù)。

對于1100V最大直流母線的應(yīng)用，需根據(jù)應(yīng)用所需的逆變器功率等級選用相應(yīng)的3電平DC-AC逆變器模塊。對于較小功率的逆變器需求，如10kVA，安森美半導(dǎo)體提供把a、b、c三相集中到1個Q1封裝的三合一方案。

此外，針對近期迅速增長的1500V光伏電站需求，安森美半導(dǎo)體還將推出1500V 三電平逆變器和升壓模塊，其1000V IGBT晶圓與市場主流的1200V晶圓相比，有較薄的襯底區(qū)，因此導(dǎo)通電阻更小，損耗明顯降低。針對單相逆變器，安森美半導(dǎo)體將推出采用H6.5拓撲的模塊，與廣泛應(yīng)用的H橋拓撲相比，大大降低共模電流以滿足無隔離變壓器并網(wǎng)的安規(guī)要求?？紤]到未來家用增加電池儲能的需求，在晶圓選取時考慮雙向功率流動，即可向電網(wǎng)送電，也可從電網(wǎng)取電存儲在電池里，功率因數(shù)為1或-1時都可高效運行。

在選擇PIM時，首先應(yīng)知曉應(yīng)用需求，如額定功率和電壓、是否需要升壓模塊、是采用3相還是單相、采用什么拓撲，然后和應(yīng)用工程師一起計算所需的模塊數(shù)量，并用仿真軟件計算損耗和最高結(jié)溫。

實用設(shè)計示例

圖2是一臺60kW太陽能逆變器產(chǎn)品電路圖。以1100V三相逆變器為例，紅色框圖所示為1個直流升壓模塊，用于將較低的光伏板輸入電壓提升到較高的直流母線電容電壓，藍色框圖所示為TNPC三電平逆變模塊，實現(xiàn)直流到交流的能量轉(zhuǎn)換。

圖2：太陽能逆變器電路(1100 V三相逆變器)

此外，還用到一些無源器件如電解電容、薄膜電容、共模電感、AC 濾波電感、DC 濾波電感、AC繼電器等。電解電容支持直流母線電壓的穩(wěn)定，薄膜電容用于吸收IGBT開關(guān)時產(chǎn)生的尖峰電壓，共模電感在共?；芈分刑峁└咦杩梗种乒材８蓴_EMI、共模損耗。

若要設(shè)計1個80kW系統(tǒng)，假設(shè)選用4個Q0升壓模塊NXH80B120H2Q0SG和3個Q2Pack逆變模塊NXH160T120L2Q2F2S1G，則每個MPPT的功率為：80/8 =10kW，PV電流為： 10kW/600V=16.67A，每個逆變模塊的功率為：80/3=26.67kW。然后，通過仿真軟件輸入如下系統(tǒng)條件參數(shù)，計算能效并評估IGBT和二極管的結(jié)溫。

圖3：80 kW系統(tǒng)的設(shè)計示例

仿真結(jié)果顯示，該設(shè)計方案的系統(tǒng)能效超過98%，損耗和熱性能表現(xiàn)佳，因此是可行的。

門極驅(qū)動電路設(shè)計考量

IGBT的導(dǎo)通、關(guān)斷需要給cge電路充電放電。在光伏應(yīng)用領(lǐng)域，控制信號和高壓回路是需要隔離的。在布板時，應(yīng)盡量將門極驅(qū)動電路放置在PIM模塊附近，以減小驅(qū)動回路雜散電感，因為較高的雜散電感可能會引起門極電壓振蕩。在選取門極電阻值Rg時，需要在開關(guān)損耗和電壓、電流應(yīng)力之間進行折中。此外，設(shè)計人員需關(guān)注隔離芯片的共模瞬態(tài)抑制 (CMTI)參數(shù)。

總結(jié)

全球都在轉(zhuǎn)向可再生能源如太陽能替代傳統(tǒng)能源，以解決日益凸顯的能源和環(huán)境問題。安森美半導(dǎo)體提供各種3電平逆變器模塊和升壓模塊，采用優(yōu)化的功率半導(dǎo)體器件和封裝設(shè)計，在太陽能逆變器、UPS和ESS系統(tǒng)中提供超過98%的能效和高可靠性，并提供各種與電源模塊一起使用的門極驅(qū)動器以優(yōu)化系統(tǒng)性能，同時輔以迅速、深入的技術(shù)支持，協(xié)助客戶贏得商機和拓展業(yè)務(wù)。