一種新型逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)

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)制頻率下動作。根據(jù)這種工作特點，上管總是選用相對便宜的門極溝道型 IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。而下管可選擇非穿通型(NPT) IGBT以減少開關(guān)損耗。這種拓撲結(jié)構(gòu)不但保障了最高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率還降低了整個逆變設(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?？梢园l(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負載下能實現(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(guān)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(jié)MOSFET中間Trench IGBT的結(jié)構(gòu)進一步提高效率。

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，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。實驗表明，這種功率模塊比目前市場上對應(yīng)的IGBT模塊減少40% 的損耗。根據(jù)6千瓦的參考設(shè)計實驗結(jié)果，此模塊在50%至滿負載之間，轉(zhuǎn)換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個百分點。

圖5 ： ESBT 升壓斬波模塊。

旁路二極管

為防止太陽能電池在強光下由于遮擋造成其中一些因為得不到光照而成為負載產(chǎn)生嚴重發(fā)熱受損，因此在太陽能電池組件輸出端的兩極并聯(lián)旁路二極管。一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當(dāng)作負載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽電池組件此時會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。

太陽能逆變器是太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)：電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成，逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成;太陽能 太陽能逆變器直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變。逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。

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(shè)備的一部分，對于逆變器運行乃至整個系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對此應(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電流時溫升小于10?C。 以30年穩(wěn)定運行為目標的可靠性設(shè)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(yīng)用于太陽能板。

結(jié)論

提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能逆變器設(shè)計的長期課題，也是工程設(shè)計人員面臨的最大挑戰(zhàn)。本文以如何設(shè)計優(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)計原則，典型拓撲結(jié)構(gòu)和開關(guān)器件的選型方法。闡述了設(shè)計工程師如何運用器件，電路與系統(tǒng)各個層次上的新技術(shù)優(yōu)化逆變器系統(tǒng)設(shè)計的方案。實踐證明，美高森美的多個相關(guān)新產(chǎn)品能夠從多個方面優(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)濟的系統(tǒng)解決方案。