光伏逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)目標(biāo)到解決方案，一次性講透

爆款干貨資料光伏逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南持續(xù)上新，第一篇文章我們介紹了系統(tǒng)目標(biāo)、市場趨勢、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)描述。本文將重點(diǎn)介紹解決方案。

系統(tǒng)框圖 - 光伏逆變器

微型逆變器

簡化的微型逆變器功率轉(zhuǎn)換級(jí)

功率 MOSFET， 80V， SO8FL 封裝， T10

特性

● VDSS = 80V， ID = 253A， RDS(ON) = 1.43 mΩ

● 低 QRR = 224nC

● 最新的屏蔽柵極架構(gòu)

● 低 QG 以最小化驅(qū)動(dòng)損耗

應(yīng)用

● 隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的初級(jí)開關(guān)

● 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

功率 MOSFET， 150V， PQFN-8 封裝

特性

● VDSS = 150V， ID = 31A， RDS(ON) = 31 mΩ

● 小巧的外形尺寸（5 x 6 mm），適用于緊湊設(shè)計(jì)

● 低 QG 以最小化驅(qū)動(dòng)損耗

應(yīng)用

● 隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的初級(jí)開關(guān)

● 開關(guān)電源

解決方案概述

組串逆變器 - DC-DC 升壓級(jí)

兩電平單升壓

● 最簡電路且最易控制

● 低物料清單成本，低故障率

● 正常效率

● 適中的尺寸和電磁干擾（EMI）

● 滿足全電壓要求的功率元件

三電平對(duì)稱升壓

● 降低電感器、 MOSFET/IGBT、二極管的應(yīng)力 .

● 減小電感器尺寸和重量

● 電路簡單，易于控制

● 效率高

● 諧波質(zhì)量更好， dv/dt 更低

● 目標(biāo) - 當(dāng)前大多數(shù)客戶的三相 1100 V/1500 V 項(xiàng)目

三電平飛跨電容升壓

● 僅 1 個(gè)電感器，雙倍電感器頻率，尺寸更小

● 共地簡化了設(shè)計(jì)（包括 EMI 電感器、 Y 型電容器、連接器和導(dǎo)線、電位誘導(dǎo)衰減電路 PID）

● 額外的飛跨電容和啟動(dòng)電路

● 三種方案中效率最高

● 諧波質(zhì)量更好， dv/dt 更低

● 目標(biāo) - 三相大于 1500 V， 效率要求更高

3 通道飛跨電容升壓型 SiC 混合功率集成模塊（PIM）

特性

● 1000 V 低 VCE(SAT)快速開關(guān) IGBT 和 1200 V 碳化硅二極管

● 模塊具有低熱阻抗基板

● 提供焊接引腳和壓接引腳選項(xiàng)

● 內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

優(yōu)點(diǎn)

● 易于模塊安裝，更高的輸出功率

● 靈活支持不同制造工藝

● 卓越的效率，熱損耗低。與 1200 V IGBT 解決方案相比，具有更高的輸出功率

應(yīng)用

● 1500 V 分散式公用事業(yè)規(guī)模光伏逆變器

NXH600B100H4Q2F2 原理圖

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飛跨電容升壓轉(zhuǎn)換器的特性

● 只需一個(gè)電感器，電流更小

● 開關(guān)頻率降低，可考慮使用 IGBT

● 首選碳化硅升壓二極管，以節(jié)省損耗

● 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來的主要優(yōu)勢

組串式逆變器 - DC-AC 逆變器功率級(jí)

HERIC/H6.5

● 廣泛應(yīng)用于單相光伏逆變器設(shè)計(jì)中

● 電路和控制較復(fù)雜

● 三電平拓?fù)浔劝霕蚪Y(jié)構(gòu)效率更高    

● 6 個(gè)開關(guān) (6*Vd)， 5 個(gè)二極管（比 HERIC 少 1 個(gè)） .    

● 移除變壓器時(shí)，可減小共模漏電流

● 目標(biāo)功率等級(jí) < 10 kW    

三電平 T-NPC 拓?fù)?/strong>

● 電路簡單，易于控制，應(yīng)用廣泛

● 只需垂直開關(guān)即可獲得滿電壓

● 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)效率更高，開關(guān)損耗低

● 諧波質(zhì)量更好， dv/dt 更低

● 目標(biāo) - 輸出功率為 20 kW~100 kW 的 3 相、 1100 V 系統(tǒng)

組串式逆變器 - DC-AC 逆變器功率級(jí)

三電平 I-NPC 拓?fù)?/strong>

● 電路簡單，易于控制，應(yīng)用廣泛

● 開關(guān)電壓減半

● 采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，效率更高

● 諧波質(zhì)量更好， dv/dt 更低

● 損耗不平衡

● 目標(biāo) - 輸出功率為 40 kW~220 kW 的高達(dá) 1500 V 系統(tǒng)

三電平 A-NPC 拓?fù)?/strong>

● 電路復(fù)雜且控制復(fù)雜

● 開關(guān)上電壓減半

● 采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效率

● 諧波質(zhì)量更好， dv/dt 更低，電感更小

● 靈活的換流支路選擇

● 目標(biāo) - 輸出功率大于 200 kW、電壓高達(dá) 1500 V 的系統(tǒng)

當(dāng) PF=1 時(shí) I-NPC 的功率損耗分布

A-NPC 與 I-NPC 比較

幾十年來， I-NPC 已被改進(jìn)為大功率光伏逆變器系統(tǒng)的理想選擇。然而，隨著系統(tǒng)演進(jìn)要求的不斷提高， INPC 的損耗平衡問題變得至關(guān)重要。在 PF=-1 和小調(diào)制指數(shù)（M=0.05）的情況下，內(nèi)部 IGBT 是整流器工作模式中應(yīng)力最大的器件。當(dāng) PF=1 和 M=0.95 時(shí)，外部 IGBT 是逆變器工作模式下應(yīng)力最大的器件。介于兩者之間的所有工作點(diǎn)都不太重要。因此，我們提出了 A-NPC 方案，用帶有兩個(gè)反并聯(lián)二極管的 IGBT取代兩個(gè)箝位二極管。通過這種方法，換流支路變得更加靈活，優(yōu)化了損耗/熱分布，最終提高了輸出功率和效率。

三電平 A-NPC 功率集成模塊， Q2 封裝

特性

● VCE = 1000 V， ICE = 800 A，場截止第四代 IGBT

● 提供高功率密度的模塊設(shè)計(jì)

低電感布局

● 內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

● 提供焊接引腳和壓接引腳選項(xiàng)

優(yōu)點(diǎn)：

● 平衡損耗和散熱

● 靈活的換流支路選擇

應(yīng)用：

● 1500 V 分布式公用事業(yè)級(jí)光伏逆變器

EliteSiC， 1200 V MOSFET， M3S 系列：

● 新型 1200 V M3S 平面碳化硅 MOSFET 系列

● 針對(duì)高溫運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化

● 改善寄生電容，適合高頻運(yùn)行

● RDS(ON) =22 mΩ @VGS =18 V*

● 超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC*

● 高速開關(guān)，具有低電容特性(COSS =146 pF)*

● 提供開爾文源極連接*

場截止第七代， IGBT， 1200 V

● 新型 1200V 溝槽型場截止第七代 IGBT 系列

● 溝槽窄臺(tái)面與質(zhì)子注入多重緩沖技術(shù)

● 提供快速開關(guān)與低飽和壓降 VCE(SAT)類型

● 改進(jìn)寄生電容，適用于高頻運(yùn)行

● 通用封裝

● 目標(biāo)應(yīng)用 - 能源基礎(chǔ)設(shè)施、工廠自動(dòng)化

半橋全 SiC 集成功率模塊

● 2 × 1200 V 碳化硅 MOSFET， RDS（ON） = 10 mΩ

● 低熱阻

● 內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

● 在更高電壓下改善了 RDS(ON)

● 更高效、更高功率密度

● 靈活的高可靠性熱接口解決方案

*NTH4L022N120M3S 主要特性

如何選擇柵極驅(qū)動(dòng)器？

電流驅(qū)動(dòng)能力：開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)際上是輸入輸出電容器的充放電過程。更高的灌電流和拉電流能力意味著更快的導(dǎo)通和關(guān)斷速度，最終帶來更小的開關(guān)損耗。

故障檢測：柵極驅(qū)動(dòng)器不僅用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)，還能保護(hù)開關(guān)甚至整個(gè)系統(tǒng)。例如，欠壓鎖定（UVLO）可確保柵極驅(qū)動(dòng)器的電源處于良好狀態(tài)，去飽和（DESAT）用于檢測短路，有源米勒箝位可防止在快速開關(guān)系統(tǒng)中出現(xiàn)誤導(dǎo)通。閱讀 AND9949 - NCD(V)57000/57001 柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)筆記，了解保護(hù)功能。

抗擾性：共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）是指柵極驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出電路之間共模電壓上升或下降的最大容許速率，它決定了該產(chǎn)品是否可用于快速開關(guān)系統(tǒng)。大功率系統(tǒng)以非?？斓淖兓蔬\(yùn)行，例如大于 100 V/ns 時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的電壓瞬變。隔離柵極驅(qū)動(dòng)器需要能夠承受高于額定電平的 CMTI，以防止低壓電路側(cè)產(chǎn)生噪聲，并防止隔離勢壘失效。

傳播延遲：傳播延遲是指從輸入 10%到輸出 90%的時(shí)間延遲（供應(yīng)商之間可能有所不同）。這種延遲會(huì)影響器件之間的開關(guān)時(shí)序，這在高頻應(yīng)用中至關(guān)重要。設(shè)置死區(qū)時(shí)間可以避免擊穿乃至進(jìn)一步損壞，死區(qū)時(shí)
間設(shè)置得越少，開關(guān)損耗就會(huì)越小。

兼容性：在新項(xiàng)目中，如果沒有重大設(shè)計(jì)變更，引腳對(duì)引腳的替換總是首選。選擇規(guī)格和封裝相似的柵極驅(qū)動(dòng)器有利于快速設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，并非每一點(diǎn)都需要遵循。例如，與 IGBT 不同， 碳化硅 MOSFET 的輸出特性更像可變電阻，沒有飽和區(qū)，這意味著普通的去飽和檢測原理行不通。作為解決方案之一，通常使用電流傳感器來檢測過流，或使用溫度傳感器來檢測異常溫度。

NCP51561 碳化硅（SiC）隔離柵極驅(qū)動(dòng)器

● 4.5 A/9 A 峰值拉/灌電流

● 36 ns 傳播延遲， 8 ns 最大延遲匹配

● 5 kV 電隔離， CMTI≥200 V/ns

● 雙通道設(shè)計(jì)

● 8 毫米爬電距離的 SOIC-16WB 封裝

NCD57080 隔離型大電流柵極驅(qū)動(dòng)器

● 高電流峰值輸出（6.5 A/6.5 A）欠壓鎖定（UVLO） ， 有源米勒箝位

● 3.5 kV 電隔離， CMTI≥100 V/ns

● 典型 60 ns 傳播延遲單通道設(shè)計(jì)

● 8 毫米爬電距離的 SOIC-8WB 封裝

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