解读太阳能逆变器设计的最新趋势

【导读】能源成本的日益攀升加速了太阳能、风能等再生能源的发展，并引发对其关键发展技术的探讨——逆变器设计——更高的功率、更大的输入电压范围、更高的效率。如何设计符合上述要求的逆变器？请看本文对逆变器设计的趋势解读...

由于能源成本日益攀升，太阳能发电正逐渐成为一项可行的替代能源。德国政府通过立法，推出各种激励手段积极鼓励可再生能源的使用(如《再生能源法》“Energieeinspeisungsgesetz”)，受此驱使，至2007年，该国一直是全球最大的太阳能市场。而现在，其它国家已超过德国，例 如西班牙在2008年的新建太阳能发电厂数量居全球之冠，而意大利、法国和美国的已安装太阳能发电容量预计将呈大幅增长。多种激励措施推动需求走高，继而 刺激产能增长。但由于最近全球经济危机的爆发和2008年西班牙对太阳能市场的激励措施突然撤销，致使太阳能芯片供大于求，导致价格下跌40%-50%。 这使得光伏技术更接近所谓的“平价电价”(grid parity)目标，亦即太阳能发电成本与目前电能市价相当。预计在2015年，德国将可实现均一电价。

太阳能模块产生一个直流电压，太阳能逆变器再把这一直流电能转换为交流电能，然后接入电网。本文将探讨太阳能逆变器设计的最新趋势。

其中一个重要趋势是采用更高的功率。现在，峰值发电量超过100kW的太阳能发电厂越来越普遍，而较小规模的发电系统也存在这种趋势：平均功率从5kWp 提高到10kWp。

 

升压＋H-桥拓扑是太阳能逆变器极为常用的拓扑之一，是一种两级非隔离拓扑。其第一级是升压级，用于把模块的可变输出电压(例如100V – 500V)升高到更大的中间电压，后者必须大于实际峰值主线电压(如230V x sqrt(2)，或>325V)。该升压级还有一个重要作用，就是为了实现效率最大化，太阳能模块必须运作产生尽可能大的功率，而太阳能模块的功率 曲线可通过输出电流乘以输出电压数值获得。功率特性中有一个最大点，被称为“最大功率点”或MPP，而这精确位置会随着模块的类型、温度和日照阴影等因素 而变化。

 

利用名为“最大功率点跟踪”或MPPT的软件技术，辅以定制化算法，逆变器的输入级便可跟踪这个最大功率点。

逆变器的第二级把恒定的中间电压转换为50Hz的交流电压，再馈入供电主线。这个输出与供电主线的相位及频率同步。这一级由于与供电主线连接，故即便在故 障状态下也必须达到一定的安全标准。除此之外，还有一个与低压指令 (Low Voltage Directive) 相关的VDE 0126-1-1新草案，该提案要求太阳能逆变器在电能质量下降的情况下也应有源支持主供电网，以尽量降低更具普遍性的停电风险。在现有法规限制之下，是 可以设计一个在停电时能够实时关断逆变器，以实现自我保护。不过，当太阳能逆变器变得普及，并在总发电量中占有可观的份额时，如果一遇上停电便直接关断连 接的太阳能逆变器的话，是可能造成更大规模的主电网停电的，因为这样逆变器便会一个接一个关断，并迅速减少电网中的电能。因此，新的指令草案旨在提高主干 配电网的稳定性和电能质量，而代价仅仅是使逆变器的输出级稍微复杂一点。

太阳能逆变器必须可靠，以尽量减小维护和停机检修的成本。这些逆变器还必须具有高效，以尽量增大发电量。太阳能逆变器设计人员还需付出相当的努力，以尽可 能地提高效率。

有很多方法能够提高升压逆变器的效率。由于升压逆变器可在连续传导模式或边界传导模式(CCM 或 BCM)下工作，这就衍生出不同的优化方案。在CCM模式中，损耗的一大主因是升压二极管的反向恢复电流；在这种情况下，一般使用碳化硅二极管或飞兆半导 体的Stealth 二极管来解决。太阳能逆变器更常采用的是BCM模式，而尽管对这类功率级通常建议选择CCM模式，但采用BCM模式的原因在于BCM模式中二极管的正向电 压要低得多。而且，BCM模式也具有高得多的EMI滤波器和升压电感纹波电流。这时，良好的高频电感设计是一解决方案。

采用两个交错式升压级来取代一个升压级乃一种新方法。这样一来，流经每个电感和每个开关的电流便能够减半。另外，采用交错式技术，一级上的纹波电流 可抵偿另一级的纹波电流，因而可在很宽工作输入范围上去除输入纹波电流。如FAN9612交错式BCM PFC一类的控制完全能够轻松满足太阳能升压级的要求。

逆变器中的升压开关有两个选择：IGBT或 MOSFET。对于需要600V以上额定开关电压的输入级，常常会采用1200V IGBT快速开关，如FGL40N120AND。对于额定电压只需600V/650V的输入级，则选用MOSFET。

输出H-桥级的设计人员一直以来都采用600V/650V MOSFET，但因为新的草案规范要求输出级以四象限工作，于是在这一领域重新点燃了人们对IGBT的兴趣。MOSFET虽然内置有体二极管，但相比 IGBT中采用的组合封装二极管，其开关性能很差。新型的场截止IGBT能够以10V/ns的速度转换电压，较之以往的旧式产品导通损耗大大改善。这种集 成式二极管具有出色的软恢复性能，有助于降低500A/us以上的高di/dt造成的EMI。对于16kHz-25kHz开关，建议采用IGBT，例如飞 兆半导体的 FGH60N60UFD。

 

太阳能逆变器设计的另一个趋势是扩大输入电压范围，这会导致相同功率级下输入电流的减小，或相同输入电流下功率级的提高。输入电压比较高时，需要使用额定 电压更高(1200V范围内)的IGBT，从而产生更大的损耗。解决这一问题的一个方法是采用三电平逆变器。

采用两个串联的电解电容可把高输入电压一分为二，将中间点与零线 (neutral line)连接，这时就可以再采用600V开关了。三电平逆变器可在三个电平间进行转换：+Vbus、0V 和 –Vbus。这方案除了比1200V开关构建的解决方案更有效之外，三电平逆变器还有一个优势，就是输出电感大为减小。

对于整功率因数，三电平逆变器的功能可解释如下。在正半波Q5始终导通期间，Q6 和 Q4一直关断。Q3 和 D3构成一个降压转换器，产生输出正弦波电压。如果只需要整功率因数，Q5 和 Q6 可设计为 50Hz开关，采用速度极慢Vce (饱和电压)极低的IGBT，比如FGH30N60LSD。若需要较低的功率因数，Q5 和 Q6必须工作在开关频率下一小段时间。Q3 和 Q4的二极管应该是快速软恢复二极管。Q3 和 Q4可安排为快速恢复MOSFET，比如FGL100N50F ，或者是快速 IGBT，如FGH60N60SFD。

基于上述分析，三电平逆变器拓扑可获得98%以上的效率，因此可能成为5kWp以上功率级非隔离逆变器的主流结构。