新型逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來光伏發(fā)電在各國的普及和應(yīng)用取得可觀的進(jìn)展。作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對(duì)于光伏系統(tǒng)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(shè)計(jì)需要并由此闡述了功率半導(dǎo)體器件與電路拓?fù)浞矫娴膬?yōu)選原則。

　　隨著對(duì)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(guān)注。2009年度以美國為例，太陽能工業(yè)總產(chǎn)值在整體經(jīng)濟(jì)低迷的形勢下仍增長了百分之三十六，并吸引了高達(dá)14億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。據(jù)有關(guān)方面的可靠報(bào)導(dǎo)，在未來三年里，全世界對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(yù)測是基于以下幾個(gè)因素：目前過剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)將光伏系統(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統(tǒng)的安裝價(jià)格在持續(xù)下降；世界范圍內(nèi)各國與地區(qū)的政府補(bǔ)貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補(bǔ)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(duì)光伏并網(wǎng)項(xiàng)目和無電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目分別給予50%及70%的財(cái)政補(bǔ)貼?？梢韵嘈?，中國太陽能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。

　　電力電子的設(shè)計(jì)對(duì)于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。最高的轉(zhuǎn)換效率永遠(yuǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師考慮的首要因素。由于光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率對(duì)于減小太陽能板總面積和系統(tǒng)總體積就至關(guān)重要。除此之外，在電能轉(zhuǎn)換過程的功率損耗直接導(dǎo)致了半導(dǎo)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(shí)的溫升和熱應(yīng)力是影響可靠性的重要參數(shù)，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(tǒng)可靠性，縮減了系統(tǒng)體積和成本。本文將闡述以提高能效為目標(biāo)的太陽能逆變器設(shè)計(jì)原則，并介紹市場上應(yīng)運(yùn)而生的各種新器件，新電路和最新控制技術(shù)。

　　電路拓?fù)?/P>

　　要把太陽能轉(zhuǎn)換板輸出的“粗電”（波動(dòng)的直流電壓）變成恒定可靠的正弦波交流市電，實(shí)現(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架：單級(jí)變換和兩級(jí)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(cè)電壓的恒定和可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)電壓和功率控制之間的解耦。有些時(shí)候也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。但是，毋庸置疑，這一級(jí)額外的變換裝置很可能對(duì)系統(tǒng)效率帶來負(fù)面影響，所以越來越多的廠商在開發(fā)或評(píng)估單級(jí)變換的架構(gòu)，即使這樣會(huì)面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，HERIC？ 和多電平結(jié)構(gòu)吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓?fù)湫问?，特別是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。

　　圖 1： HERIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖 2 ：三電平鉗位二極管拓?fù)洹?/P>

　　如圖1所示，HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上新增加了一對(duì)二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，對(duì)于器件速度沒有特殊需求。在應(yīng)用了適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦?，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。應(yīng)當(dāng)指出，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在仍然處于Sunways所獲專利的有效期之內(nèi)，因而在歐洲的應(yīng)用相對(duì)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(guān)注的一種新型太陽能逆變電路拓?fù)?，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽能發(fā)電應(yīng)用中。圖2所示的三相三電平電路的每個(gè)橋臂由4只帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)串聯(lián)而成，另外每相有一個(gè)二極管相臂跨接在主開關(guān)之間，且其中點(diǎn)和直流母線的中性點(diǎn)直接連通。這個(gè)二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時(shí)，每個(gè)主開關(guān)器件所受最大電壓應(yīng)力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(guān)器件的電壓耐量低和級(jí)數(shù)可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在太陽能并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。此外，多電平電路對(duì)于系統(tǒng)成本的節(jié)約意義顯著。體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件的價(jià)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(shè)備成本；最后，由于開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調(diào)制方式下，三電平的部分主開關(guān)可以在低頻下開關(guān)，就可以采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的開關(guān)器件。

　　近年來光伏發(fā)電在各國的普及和應(yīng)用取得可觀的進(jìn)展。作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對(duì)于光伏系統(tǒng)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(shè)計(jì)需要并由此闡述了功率半導(dǎo)體器件與電路拓?fù)浞矫娴膬?yōu)選原則。

　　隨著對(duì)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(guān)注。2009年度以美國為例，太陽能工業(yè)總產(chǎn)值在整體經(jīng)濟(jì)低迷的形勢下仍增長了百分之三十六，并吸引了高達(dá)14億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。據(jù)有關(guān)方面的可靠報(bào)導(dǎo)，在未來三年里，全世界對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(yù)測是基于以下幾個(gè)因素：目前過剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)將光伏系統(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五；光伏系統(tǒng)的安裝價(jià)格在持續(xù)下降；世界范圍內(nèi)各國與地區(qū)的政府補(bǔ)貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補(bǔ)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(duì)光伏并網(wǎng)項(xiàng)目和無電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目分別給予50%及70%的財(cái)政補(bǔ)貼?？梢韵嘈?，中國太陽能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。

　　電力電子的設(shè)計(jì)對(duì)于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。最高的轉(zhuǎn)換效率永遠(yuǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師考慮的首要因素。由于光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率對(duì)于減小太陽能板總面積和系統(tǒng)總體積就至關(guān)重要。除此之外，在電能轉(zhuǎn)換過程的功率損耗直接導(dǎo)致了半導(dǎo)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(shí)的溫升和熱應(yīng)力是影響可靠性的重要參數(shù)，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(tǒng)可靠性，縮減了系統(tǒng)體積和成本。本文將闡述以提高能效為目標(biāo)的太陽能逆變器設(shè)計(jì)原則，并介紹市場上應(yīng)運(yùn)而生的各種新器件，新電路和最新控制技術(shù)。

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　　要把太陽能轉(zhuǎn)換板輸出的“粗電”（波動(dòng)的直流電壓）變成恒定可靠的正弦波交流市電，實(shí)現(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架：單級(jí)變換和兩級(jí)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(cè)電壓的恒定和可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)電壓和功率控制之間的解耦。有些時(shí)候也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。但是，毋庸置疑，這一級(jí)額外的變換裝置很可能對(duì)系統(tǒng)效率帶來負(fù)面影響，所以越來越多的廠商在開發(fā)或評(píng)估單級(jí)變換的架構(gòu)，即使這樣會(huì)面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，HERIC？ 和多電平結(jié)構(gòu)吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓?fù)湫问剑貏e是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。

　　圖 1： HERIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖 2 ：三電平鉗位二極管拓?fù)洹?/P>

　　如圖1所示，HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上新增加了一對(duì)二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，對(duì)于器件速度沒有特殊需求。在應(yīng)用了適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦?，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。應(yīng)當(dāng)指出，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在仍然處于Sunways所獲專利的有效期之內(nèi)，因而在歐洲的應(yīng)用相對(duì)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(guān)注的一種新型太陽能逆變電路拓?fù)?，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽能發(fā)電應(yīng)用中。圖2所示的三相三電平電路的每個(gè)橋臂由4只帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)串聯(lián)而成，另外每相有一個(gè)二極管相臂跨接在主開關(guān)之間，且其中點(diǎn)和直流母線的中性點(diǎn)直接連通。這個(gè)二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時(shí)，每個(gè)主開關(guān)器件所受最大電壓應(yīng)力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(guān)器件的電壓耐量低和級(jí)數(shù)可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在太陽能并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。此外，多電平電路對(duì)于系統(tǒng)成本的節(jié)約意義顯著。體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件的價(jià)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(shè)備成本；最后，由于開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調(diào)制方式下，三電平的部分主開關(guān)可以在低頻下開關(guān)，就可以采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的開關(guān)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(jí)）的功率半導(dǎo)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(duì)的IGBT則開關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價(jià)格便宜并適用于大電流的應(yīng)用場合。超結(jié)MOSFET介于兩者之間，是一種性能價(jià)格折中的產(chǎn)品，在實(shí)際設(shè)計(jì)中被廣為應(yīng)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(guān)頻率。如果要求硬開關(guān)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(duì)轉(zhuǎn)換效率和成本的具體要求。系統(tǒng)效率和成本之間作為一對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)工程師將根據(jù)其相應(yīng)關(guān)系對(duì)照目標(biāo)系統(tǒng)要求以確定最貼近系統(tǒng)要求的元件型號(hào)。為了幫助設(shè)計(jì)人員量化的分析效率和器件成本之間的關(guān)系，表一羅列了三種半導(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗和價(jià)格因素，為了便于比較，各參數(shù)均以MOSFET情況作歸一化處理。超結(jié)MOSFET 工藝目前沒有超過900V 的器件。

　　表1 常用開關(guān)器件的性能與價(jià)格對(duì)照表 （所有數(shù)字以MOSFET情況歸一化）

　　除去以上最典型的三類全控開關(guān)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(chǎn)品。它們目前的價(jià)格還比較高，主要應(yīng)用于對(duì)太陽能發(fā)電效率有特殊要求的場合。但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和器件單價(jià)的下降，這類器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a(chǎn)品，甚至替代上述的某一類器件。

　　工業(yè)界的最新產(chǎn)品

　　由于太陽能發(fā)電市場的龐大規(guī)模與發(fā)展?jié)摿Γ澜绺鞔蟀雽?dǎo)體生產(chǎn)廠商都競相推出自己的產(chǎn)品追逐市場。近幾年來，各種針對(duì)太陽能功率變換的新器件和新技術(shù)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(chǎn)品以其先進(jìn)工藝和應(yīng)用技術(shù)而獨(dú)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(chǎn)品。配合以單極型調(diào)制方法，每個(gè)橋臂的兩只開關(guān)管分別工作在完全相異開關(guān)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(diào)制頻率下動(dòng)作。根據(jù)這種工作特點(diǎn)，上管總是選用相對(duì)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(guān)損耗。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但保障了最高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率還降低了整個(gè)逆變設(shè)備的成本。圖4給出了不同器件搭配的轉(zhuǎn)換效率曲線以印證這種太陽能功率模塊的優(yōu)越性。可以發(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負(fù)載下能實(shí)現(xiàn)98%以上的轉(zhuǎn)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(duì)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(jī)制。其主旨在于充分利用兩端器件開關(guān)頻率遠(yuǎn)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(jié)MOSFET中間Trench IGBT的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高效率。

　　ESBT

　　ESBT 是應(yīng)用于太陽能的一種新型高電壓快速開關(guān)器件，它兼顧了IGBT 和MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)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(guān)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(shí)驗(yàn)表明，這種功率模塊比目前市場上對(duì)應(yīng)的IGBT模塊減少40% 的損耗。根據(jù)6千瓦的參考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此模塊在50%至滿負(fù)載之間，轉(zhuǎn)換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個(gè)百分點(diǎn)。因此，在碳化硅全控器件的價(jià)格下降到可接受的范圍之前，對(duì)于超高效率的太陽能功率變換應(yīng)用，ESBT將是開關(guān)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(yán)格來說雖然不屬于逆變部分，但是作為太陽能發(fā)電設(shè)備的一部分，對(duì)于逆變器運(yùn)行乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對(duì)此應(yīng)用推出兩款新產(chǎn)品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技術(shù)—CoolRUNTM工藝，無需散熱器，通過10A電流時(shí)溫升小于10？C。 以30年穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)的可靠性設(shè)計(jì)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(diǎn)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(yīng)用于太陽能板。另外其獨(dú)特的柔韌銅引腳具有衛(wèi)星應(yīng)用級(jí)別的可靠性。

　　結(jié)論

　　提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能逆變器設(shè)計(jì)的長期課題，也是工程設(shè)計(jì)人員面臨的最大挑戰(zhàn)。本文以如何設(shè)計(jì)優(yōu)化的新一代太陽能功率變換系統(tǒng)出發(fā)，討論了集中式太陽能逆變器的設(shè)計(jì)原則，典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)器件的選型方法。闡述了設(shè)計(jì)工程師如何運(yùn)用器件，電路與系統(tǒng)各個(gè)層次上的新技術(shù)優(yōu)化逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。實(shí)踐證明，美高森美的多個(gè)相關(guān)新產(chǎn)品能夠從多個(gè)方面優(yōu)化系統(tǒng)性能，為太陽能逆變器市場提供了高效，可靠，經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)解決方案。