摘要：本文闡述了太陽能光伏發(fā)電逆變器的三種主電路形式，結(jié)合光伏發(fā)電逆變器主電路結(jié)構(gòu)特點，論述了用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的功率半導(dǎo)體器件特性。

關(guān)鍵詞：逆變器 主電路 功率器件

1.光伏發(fā)電逆變器主電路

太陽能電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的三種主電路形式如圖1所示。圖1（a）是采用工頻變壓器主電路形式，采用工頻變壓器使輸入與輸出隔離，主電路和控制電路簡單。為了追求效率，減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選得比較低，因此重量大，約占逆變器的總重量的50％左右，逆變器外形尺寸大，是最早的一種逆變器主電路形式。



圖1（b）是高頻變壓器主電路形式，采用高頻變壓器使輸入與輸出隔離，體積小，重量輕。主電路分為高頻逆變和工頻逆變兩部分，比較復(fù)雜，是20世紀90年代比較流行的主電路方式。



圖1（c）是無變壓器主電路形式，不采用變壓器進行輸入與輸出隔離，只要采取適當措施，同樣可保證主電路和控制電路運行的安全性，體積最小，重量輕，而且效率高，成本也較低。主電路包括升壓部分和采用高頻SPWM的逆變部分，比工頻變壓器主電路形式要復(fù)雜，但是適應(yīng)輸入直流電壓范圍寬，有利于與太陽能電池進行匹配。盡管由于天氣等因素使太陽能電池輸出電壓發(fā)生變化，但有了升壓部分，可以保證逆變部分輸入電壓比較穩(wěn)定。將成為今后主要的主電路流行方式。



為了使無變壓器主電路形式安全運行，必須采取一定的技術(shù)措施：首先要使太陽能電池對地電壓保持穩(wěn)定；其次，為了防止太陽能電池接地造成主電路損壞，應(yīng)檢測太陽能電池正極和負極的接地電流（通過零相互感器），如果不平衡電流超過規(guī)定值，說明太陽能電池有可能接地，接地保護立即動作，切斷主電路輸出，停止工作。由于無變壓器主電路形式?jīng)]有變壓器對輸入與輸出隔離，因此逆變器輸入端的太陽能電池的正負極不能直接接地，輸出的單相三線制中性點接地，因太陽能電池面積大，對地有等效電容存在（正極等效電容和負極等效電容）。該等效電電容將在工作中出現(xiàn)充放電電流，其低頻部分有可能使供電電路中的漏電開關(guān)誤動作而造成停電，其高頻部分將通過配電線路對其它用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其它用電設(shè)備正常工作。對這種對地等效電容電流必須在主電路加電感L1與電容C1組成的濾波器進行抑制，特別是抑制高頻部分。而工頻部分，可以通過控制逆變器開關(guān)方式來消除。當然在太陽能電池與主電路之間，還應(yīng)當設(shè)置共模濾波器，防止對太陽能電池的電磁干擾。

2.電力電子器件

用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器（含輸入直流斬波級）的功率半導(dǎo)體器件主要有MOSFET、IGBT、超結(jié)MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價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，是一種性能價格折中的產(chǎn)品，在實際設(shè)計中被廣為應(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100kHz以上，一般只有MOSFET能夠勝任。在較低頻段如15kHz，如沒有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于設(shè)計中對轉(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矛盾，設(shè)計中將根據(jù)其相應(yīng)關(guān)系對照目標系統(tǒng)要求確定最貼近系統(tǒng)要求的元件型號。表1為三種半導(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗，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。



除去以上最典型的三類全控開關(guān)器件，業(yè)界有像碳化硅二極管和ESBT等基于新材料和新工藝的產(chǎn)品。它們目前的價格還比較高，主要應(yīng)用于對太陽能光伏發(fā)電效率有特殊要求的場合。但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進步和器件單價的下降，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。

（1）單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

圖2所示的混合單相全橋功率模塊，是專用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中單相逆變的產(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4-17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，上管選用相對便宜的門極溝道型(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3給出了不同器件搭配的轉(zhuǎn)換效率曲線以印證這種功率模塊的優(yōu)越性。可以發(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負載下能實現(xiàn)98%以上的轉(zhuǎn)換效率。

在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件機制，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系列三電平模塊兩端使用超結(jié)MOSFET，中間為IGBT的結(jié)構(gòu)，可進一步提高效率。

（2）ESBT

ESBT是應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中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5kW～205kW的超高效率升壓應(yīng)用。其電壓為1200V，集電極和發(fā)射極間飽和通態(tài)電壓很低（接近1V），優(yōu)化開關(guān)頻率在30kHz～40kHz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)6kW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。因此，在碳化硅全控器件的價格下降到可接受的范圍之前，對于超高效率的太陽能光伏功率變換應(yīng)用，ESBT將是優(yōu)選開關(guān)器件。