太陽(yáng)能逆變器架構(gòu)組件全揭秘（圖文）

　　電解電容非常適合控制紋波，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和較高的電容容量。沿著圖2中PCB上邊緣的是平滑電容器組。

　　升壓型DC-DC步進(jìn)轉(zhuǎn)換器

　　下一個(gè)器件是步進(jìn)DC-DC轉(zhuǎn)換器，它負(fù)責(zé)將直流輸入升壓到開(kāi)關(guān)MOSFET橋，以便逆變器能夠高效地產(chǎn)生230V, 50Hz交流正弦波傳輸給電網(wǎng)。這個(gè)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器連同H5開(kāi)關(guān)橋包含在單獨(dú)的電源模塊中，該電源模塊附在逆變器主板的背面，可以很好地散熱到底座。這個(gè)模塊在最終裝配時(shí)將被安裝在圖2主板上部的中間部分。

　　圖4顯示了典型的無(wú)變壓器配置系統(tǒng)中的基本的DC/AC轉(zhuǎn)換電路或逆變器。其中：DC/DC轉(zhuǎn)換提升或降低輸入的PV電壓，調(diào)整其輸出以達(dá)到DC/AC轉(zhuǎn)換級(jí)中的最大效率；電容器提供進(jìn)一步的電壓緩沖；H4橋中的IGBT或MOSFET利用20kHz范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生交流電壓；線圈使交流電壓平滑切換為正弦信號(hào)，用于產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流輸出。　　無(wú)變壓器逆變器技術(shù)

　　早在光伏市場(chǎng)發(fā)展之前，無(wú)變壓器開(kāi)關(guān)技術(shù)的理念就已存在了。設(shè)備工程師知道，一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管在完全開(kāi)啟或關(guān)閉的狀態(tài)下工作效率最高，因?yàn)檫@時(shí)沒(méi)有電流經(jīng)過(guò)它們，而且它們也不產(chǎn)生功率損耗。因此，放大一個(gè)理想方波的理論效率可達(dá)100%。信號(hào)被一個(gè)更高頻率的方波調(diào)制，其結(jié)果就是脈寬調(diào)制(PWM),這個(gè)電路被稱為D類電路。用這種方式，就可能實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換，或DC到AC的高效切換。對(duì)于太陽(yáng)能逆變器而言，由于MOSFET和IGBT器件的成本高昂，所以這種技術(shù)在以往并不適用。不過(guò)，隨著這些器件成本不斷降低并且速度更快，相比于模擬切換到大量的銅鐵器件，該技術(shù)更具成本效益。這種技術(shù)也可用于制造電動(dòng)汽車。

　　在歐洲，無(wú)變壓器逆變器至今已經(jīng)應(yīng)用了幾年，SMA公司在2010年8月獲得UL認(rèn)證在美國(guó)銷售此類產(chǎn)品。這個(gè)認(rèn)證適用于SMA的無(wú)變壓器逆變器Sunny Boy 8000TL-US, Sunny Boy 9000TL-US 和Sunny Boy 10000TL-US ，并保證符合針對(duì)光伏和電池供電逆變器的UL 1741標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)首次涵蓋了無(wú)變壓器逆變器的規(guī)范要求。與采用電隔離的器件相比，無(wú)變壓器逆變器要簡(jiǎn)潔得多；而且，憑借先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路，無(wú)變壓器逆變器能提供比傳統(tǒng)逆變器更寬的工作電壓范圍。

圖4： 無(wú)變壓器DC/AC轉(zhuǎn)換電路—逆變器(TI提供)

　　沒(méi)有電隔離的負(fù)面結(jié)果是可能導(dǎo)致接地故障，損壞逆變器并引發(fā)電火花。在有變壓器的情況下，如果次級(jí)電路發(fā)生短路，那么所有電流都將流經(jīng)初級(jí)電路，一旦變壓器過(guò)熱，就將被熱切斷阻止（希望如此）。在無(wú)變壓器情況下，如果沒(méi)有保護(hù)電路或保護(hù)電路失效，未能探測(cè)到接地故障或跳閘，大功率MOSFET或IGBT將立刻以一種災(zāi)難性的方式失效。幸運(yùn)的是，這類事件的發(fā)生非常罕見(jiàn)，而且所有這種逆變器都要遵循UL 1741要求，具備接地故障保護(hù)功能。無(wú)論如何，都要保持具備這種功能，以確保在調(diào)整合路器及隔離熔斷器大小時(shí)將未探測(cè)到接地故障時(shí)的反饋電流考慮進(jìn)去。

　　如果能夠執(zhí)行準(zhǔn)確簡(jiǎn)單的計(jì)算，無(wú)變壓器逆變器就幾乎沒(méi)有缺點(diǎn)，而且具有眾多優(yōu)點(diǎn)。

　　不過(guò)，光伏逆變器還有很多其他的關(guān)鍵功能。

　　光伏逆變器還提供電網(wǎng)切斷功能，以防光伏系統(tǒng)給已經(jīng)切斷的設(shè)施供電；也就是說(shuō)，在電網(wǎng)切斷期間或者通過(guò)一個(gè)不可靠的連接傳輸電力時(shí)，逆變器保持在線，這會(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)回輸給本地設(shè)備變壓器，在設(shè)備端產(chǎn)生數(shù)千伏電壓，并危及作業(yè)人員。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEEE 1547和 UL 1741要求，交流線電壓或頻率不在規(guī)定限制內(nèi)時(shí)，所有的并網(wǎng)逆變器必須切斷，或者，在電網(wǎng)不再存在時(shí)完全關(guān)斷。在重新連接時(shí)，要等到逆變器探測(cè)到額定設(shè)備電壓和頻率超過(guò)5分鐘的時(shí)間，逆變器才能傳輸電力。如圖2右上象限所示，使用了4個(gè)額定值為22A、250VAC的LF-G繼電器。

　　但這還不是逆變器的最后職責(zé)。除了上述任務(wù)之外，逆變器在工作期間還支持手動(dòng)和自動(dòng)的輸入/輸出切斷，EMI/RFI傳導(dǎo)和輻射干擾抑制、接地故障中斷、PC兼容通信接口(“陽(yáng)光男孩”系列具有藍(lán)牙功能)，以及其他更多功能。該逆變器被安裝在一個(gè)堅(jiān)固的封箱中，以期在戶外滿功率工作25年以上！　　像SMA主板這樣的典型單相光伏逆變器使用了一顆數(shù)字功率控制器、DSP，以及一對(duì)高邊/低邊柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)全橋PWM轉(zhuǎn)換器。該逆變器和許多性能優(yōu)良的逆變器應(yīng)用都采用全H橋拓?fù)?，因?yàn)樗哂腥魏伍_(kāi)關(guān)模式拓?fù)涞淖罡吖β食休d能力。SMA采用H5技術(shù)，在輸出電容器和H橋之間的第5個(gè)功率半導(dǎo)體器件阻止了電荷的激勵(lì)振蕩損耗，并再次顯著降低了功率損耗。與經(jīng)典的逆變橋電路(H4拓?fù)? 相比，H5獲得了明顯改進(jìn)，其最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)98%。為防止光伏發(fā)電機(jī)的電力波動(dòng)，在逆變器的空運(yùn)行期間，該架構(gòu)將直流側(cè)與交流側(cè)斷開(kāi)。

　　與圖4中的H4橋相比，圖5所示的H5拓?fù)鋬H需多一個(gè)開(kāi)關(guān)器件。開(kāi)關(guān)器件T5、T2和T4工作在20kHz左右的高頻，T1和T3工作在電網(wǎng)頻率50 Hz。在空運(yùn)行期間，T5是開(kāi)路的，以斷開(kāi)直流和交流側(cè)。正向電流空運(yùn)行路徑通過(guò)T1、T3的反向二極管，反向電流通過(guò)T3和T1的二極管形成環(huán)路。

圖5： SMA的H5橋拓?fù)?p style="word-break: normal; border-width: 0px; padding: 0px; margin: 10px; font-family: Arial, 宋體; font-size: 14px; line-height: 26px; background-color: rgb(255, 255, 255); ">　　PWM電壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作在全橋輸出端形成了離散嘈雜的50Hz電流波形。高頻噪聲成分被濾除并產(chǎn)生一個(gè)中等低幅度的50Hz正弦波。H橋采用不對(duì)稱單極性調(diào)制方法工作。不對(duì)稱H橋的高邊應(yīng)由取決于主線路極性的50Hz半波驅(qū)動(dòng)；而對(duì)應(yīng)的低邊則經(jīng)PWM調(diào)制形成正弦波。圖2所示逆變