太陽(yáng)能逆變電源基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)與方法總結(jié)

　　太陽(yáng)能逆變器的作用是將隨太陽(yáng)能輻射及光照變化的DC電壓轉(zhuǎn)換成為電網(wǎng)兼容的AC輸出；而對(duì)于廣大電子工程師而言，太陽(yáng)能逆變器是一個(gè)值得高度關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。因此下文將介紹太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)所需注意的技術(shù)要點(diǎn)、挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方法。

　　基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　基于太陽(yáng)能逆變器的專用性以及保持設(shè)計(jì)的高效率，它需要持續(xù)監(jiān)視太陽(yáng)能電池板陣列的電壓和電流，從而了解太陽(yáng)能電池板陣列的瞬時(shí)輸出功率。它還需要一個(gè)電流控制的反饋環(huán)，用于確保太陽(yáng)能電池板陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)，以應(yīng)付多變的高輸入。目前，太陽(yáng)能逆變器已有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的是用于單相的半橋、全橋和Heric(Sunways專利)逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器；圖1所示是這些逆變器的拓?fù)鋱D(Microsemi圖源)。同時(shí)，設(shè)計(jì)還需遵從安全規(guī)范，并在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候可以快速斷開(kāi)與電網(wǎng)的連接。因此，太陽(yáng)能逆變器的基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括額定電壓、容量、效率、電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）效能、通信特性和安全性。

圖1a：半橋逆變。圖1b：全橋逆變器

圖1c：Heric逆變器

圖1d：三相橋逆變器。圖1e：NPC三級(jí)逆變器

　　額定電壓：太陽(yáng)能逆變器的主要功能是把來(lái)自光伏面板（有時(shí)是經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的DC電壓）的可變DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以驅(qū)動(dòng)負(fù)載或給電網(wǎng)供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V；而對(duì)工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，480V也很常見(jiàn)。對(duì)選定的逆變器拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的額定電壓。

　　容量：它是太陽(yáng)能逆變器額定功率的另一個(gè)說(shuō)法。該數(shù)值在200W（面板集成模塊）到數(shù)百千瓦之間。容量越大，逆變器的體積越大、價(jià)格越高。太陽(yáng)能逆變器的成本以美元/瓦來(lái)衡量。就一個(gè)恰到好處的設(shè)計(jì)而言，確定容量時(shí)，必須把浪涌、過(guò)載以及連續(xù)工作模式等情況考慮在內(nèi)。

　　效率：每個(gè)太陽(yáng)能逆變器都有其對(duì)效率（輸出功率/輸入功率）的要求，例如，一個(gè)數(shù)千瓦系統(tǒng)的典型效率可達(dá)95%。基于太陽(yáng)能陣列的能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)低（約在15%左右）的事實(shí)，所以，就以最小的太陽(yáng)能面板獲得最多的輸出功率來(lái)說(shuō)，高效逆變器具有非常重要的意義。

　　電池能力：在逆變器的DC側(cè)加裝電池組起著能量緩存器的作用，它能平抑DC電壓可能的波動(dòng)并把負(fù)載還未使用的能量存儲(chǔ)起來(lái)。電池能力的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)天黑時(shí)仍可持續(xù)提供能量。任何加裝了電池的太陽(yáng)能逆變器都需要電池控制器，雖然在連接電網(wǎng)的情況一般用不到。

　　輸出功率質(zhì)量：源于逆變器內(nèi)在的開(kāi)關(guān)模式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且通常還包含由脈寬調(diào)制（PWM）引入的寬范圍高頻諧波。對(duì)許多電子負(fù)載來(lái)說(shuō)，這些諧波有害無(wú)益；當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，這些諧波成為污染源。盡管有這些諧波，太陽(yáng)能逆變器依然能夠?qū)ω?fù)載較差的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，并弱化諸如電壓驟降和波動(dòng)等電源質(zhì)量問(wèn)題。一款設(shè)計(jì)精良的太陽(yáng)能逆變器應(yīng)輸出近似正弦波并減少引入到電網(wǎng)內(nèi)不期望的低頻成分。

　　MPPT效能：太陽(yáng)能面板的輸出將遵循電流-電壓曲線圖中不同光照條件下的一系列特性曲線，因此，為獲得最大功率輸出，需對(duì)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最大功率點(diǎn)跟蹤手法類似獲取內(nèi)燃機(jī)最佳效率曲線的作法，其中，扭矩和速度對(duì)應(yīng)電流和電壓。過(guò)去10年間，開(kāi)發(fā)出若干算法，其中最流行的是通過(guò)擾動(dòng)電壓和觀察輸出的方法。

　　通信特性：對(duì)一個(gè)數(shù)千瓦的太陽(yáng)能逆變器來(lái)說(shuō)，構(gòu)建一個(gè)用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的通信連接很有必要。歸功于當(dāng)今這樣一個(gè)數(shù)字時(shí)代，作為一種通用控制器的微處理器(MCU)很適合該功能。

　　安全性：有兩個(gè)含義：1.當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，需仔細(xì)觀察波形并在掉電時(shí)，立即切斷連接；反孤島保護(hù)對(duì)此很關(guān)鍵。2.維護(hù)和維修時(shí)，工作人員應(yīng)沒(méi)安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　并網(wǎng)逆變器需要在不降低功率等級(jí)的前提下，緊密匹配電網(wǎng)的相位和頻率。在并網(wǎng)時(shí)，逆變器能夠把負(fù)載用不了的電能回送至電網(wǎng)且無(wú)須借助體積龐大、成本高昂的能量存儲(chǔ)器件?；诎踩紤]，并網(wǎng)的逆變器將在掉電時(shí)自動(dòng)切斷且一般沒(méi)有用于存儲(chǔ)能量的電池組。同時(shí)，離網(wǎng)太陽(yáng)能逆變器工作在獨(dú)立模式，無(wú)需與外部AC電網(wǎng)同步。所以，它不需要任何反孤島保護(hù)措施。

　　另外，對(duì)于逆變器的并網(wǎng)設(shè)計(jì)和離網(wǎng)設(shè)計(jì)，兩者間的區(qū)別還在于輸出級(jí)。然而，在并網(wǎng)連接系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下，DC/AC級(jí)由600V的功率MOSFET和/或IGBT所構(gòu)建，離網(wǎng)系統(tǒng)則使用為電池級(jí)饋送的低壓輸出，主要的應(yīng)用包括太陽(yáng)能街燈照明或使用48V電壓軌輸出的太陽(yáng)能輔助電信系統(tǒng)。在48V系統(tǒng)中，則一般選擇100V的功率MOSFET來(lái)構(gòu)建全橋逆變器。下文也將會(huì)對(duì)太陽(yáng)能逆變器中的MOSFET和IGBT的使用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　系統(tǒng)效率可能成為了太陽(yáng)能逆變器最重要的設(shè)計(jì)考慮因素，是不同競(jìng)爭(zhēng)廠商之間優(yōu)劣的區(qū)分要素。一臺(tái)20kWp安裝設(shè)備每天平均輸出電能為190kWh，若其效率從95%提高到96%，如果強(qiáng)制入網(wǎng)電價(jià) (feed-in tariff)按0.40美元/ kWh，并以10年壽命周期來(lái)計(jì)算，其所節(jié)省約為逆變器自身成本的一半，因此效率的重要性不言而喻。

　　一旦輸出功率確定了，則最高轉(zhuǎn)換效率和最低功率器件損耗講的就是一回事。考慮到光伏面板把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率很低（一般只有15%），則能量逆變器的效率在減小太陽(yáng)能面板面積和整個(gè)系統(tǒng)的體積方面就很有意義。除此原因外，器件的功率損耗將在硅裸片上產(chǎn)生熱從而導(dǎo)致溫升，因此，必須有效散熱。這些損耗導(dǎo)致的熱過(guò)力是高可靠設(shè)計(jì)必須竭力應(yīng)付的且必須要用到散熱器。眾所周知，散熱器個(gè)頭大、價(jià)格高；另外，其采用諸如風(fēng)扇等器件使散熱器的可靠性不高。換句話，盡可能小的功率損耗不僅節(jié)省能量，還可以提升系統(tǒng)可靠性，使系統(tǒng)更緊湊并降低了成本。

　　由于現(xiàn)有逆變器的第一次故障平均時(shí)間約是5年，因此太陽(yáng)能逆變器成為造成光伏系統(tǒng)諸多故障的主要原因。為提升逆變器設(shè)計(jì)的可靠性，需考慮如下因素并采取相應(yīng)措施，包括：低損耗功率器件和開(kāi)關(guān)電路、更新的封裝技術(shù)、對(duì)電解電容器的替代、過(guò)設(shè)計(jì)、器件的冗余以及對(duì)常見(jiàn)失效模式和原因等的深入分析。

　　Microsemi(美高森美)半導(dǎo)體的應(yīng)用工程師經(jīng)理錢(qián)昶指出，電和熱方面的過(guò)載是導(dǎo)致失效的兩個(gè)原因，選擇能效更高的器件和電路會(huì)降低逆變器自身的功耗并進(jìn)而降低功率器件的結(jié)溫且同時(shí)降低了熱過(guò)力；過(guò)設(shè)計(jì)是使電和熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于器件所能承受水平的另一條途徑；而冗余設(shè)計(jì)使器件交替工作，從而分?jǐn)偨档土嗣恳黄骷艿膲毫Α?/p>

　　過(guò)設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)將顯著增加成本，而這是制造商所不希望的。因此，更可行、成本更低的作法是研究失效模式和成因然后將該信息回饋至產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。當(dāng)然，這就需要對(duì)大量產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以便發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證故障機(jī)制和模式。

　　此外，錢(qián)昶認(rèn)為太陽(yáng)能逆變器可靠性設(shè)計(jì)的其它挑戰(zhàn)還應(yīng)包括：具有低可靠性的電解電容并且以合理價(jià)格找到不同種類高壓、大容量電容器的技術(shù)難度；缺少結(jié)構(gòu)化方法進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)劃和質(zhì)量控制的不成熟制造工藝也將損害可靠性；另外，工作在惡劣環(huán)境下(極低或極高溫、潮濕和曝曬)也為可靠性設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

　　飛兆半導(dǎo)體技術(shù)行銷助理經(jīng)理Eric Zhang也認(rèn)為系統(tǒng)所需的母線電容的確成為影響可靠性的最重要因素，因此設(shè)計(jì)通常會(huì)選擇電解電容器，因?yàn)樗褪苋粘囟茸兓h(huán)，并可在高溫下運(yùn)作。設(shè)計(jì)人員還必須了解將要并網(wǎng)發(fā)電之太陽(yáng)能電池的額定輸出功率，從而選擇合適的拓?fù)?請(qǐng)參考圖1)，并使用具有足夠耐壓的功率開(kāi)關(guān)器件。

　　而英飛凌的高級(jí)工程師Jerome Lee則建議，可通過(guò)降低電解電容中的紋波電流以延長(zhǎng)逆變器的使用壽命。當(dāng)開(kāi)關(guān)的高頻操作與高效率目標(biāo)發(fā)生沖突，需要考慮電容器組是否過(guò)大或是出現(xiàn)多相系統(tǒng)。而除了電解電容老化問(wèn)題，他認(rèn)為電壓額定值下降以及散熱效果是影響也是太陽(yáng)能逆變器可靠性的主要因素，最具成本性能優(yōu)化的是使用600V級(jí)別的功率器件。這時(shí)可以通過(guò)使用過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)或降壓變換器作為輸入級(jí)以將電壓應(yīng)力減少到500V以下。

　　IGBT抑或MOSFET

　　半導(dǎo)體器件影響逆變器設(shè)計(jì)的主要因素可以概括為：器件擊穿電壓、封裝、熱阻（從結(jié)到外殼）、電流等級(jí)、導(dǎo)通電壓或?qū)ㄗ杩?、寄生電容、開(kāi)關(guān)速度和成本。而設(shè)計(jì)人員在為太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)選擇功率逆變器件時(shí)又將有具體的考慮呢？

就MOSFET和IGBT來(lái)說(shuō)，其選用決策視性能和成本間的權(quán)衡而定。一般說(shuō)，因IGBT的電流更大（是MOSFET的兩倍多），所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方面的考慮外，器件性能可由功率損耗表度，而功率損耗可分為：導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)兩類。作為以少數(shù)載流子為基礎(chǔ)的器件，在大電流下，IGBT具有更低的導(dǎo)通電壓，也就意味著更低的導(dǎo)通損耗。但MOSFET的開(kāi)關(guān)速度更快，所以開(kāi)關(guān)損耗比IGBT低。因此對(duì)于要求更低開(kāi)關(guān)頻率且更大電流的