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光伏(fu)逆(ni)变器拓扑结构(gou)与功率器件的(de)展开

光伏逆(ni)变(bian)(bian)器(qi)作为电(dian)力电(dian)子技(ji)(ji)术行(xing)业的(de)(de)一个重要分支，其技(ji)(ji)术进步高度(du)依赖于电(dian)子元器(qi)件和(he)控制技(ji)(ji)术的(de)(de)展开。而随(sui)着光伏发电(dian)微风力发电(dian)等新能源大范(fan)围应用(yong)和(he)降本(ben)钱的(de)(de)需(xu)求，反过来(lai)(lai)又推进了(le)电(dian)力电(dian)子技(ji)(ji)术的(de)(de)展开，近年来(lai)(lai)逆(ni)变(bian)(bian)器(qi)厂(chang)家竞(jing)争(zheng)猛(meng)烈，其总体趋向是体积越(yue)(yue)(yue)来(lai)(lai)越(yue)(yue)(yue)小(xiao)，重量是越(yue)(yue)(yue)来(lai)(lai)越(yue)(yue)(yue)轻，销售(shou)价钱越(yue)(yue)(yue)来(lai)(lai)越(yue)(yue)(yue)低，那么，逆(ni)变(bian)(bian)器(qi)厂(chang)家是采取哪些方法怎样(yang)完成的(de)(de)？

1、尽量减少功率器(qi)件(jian)的数量，进步功率器(qi)件(jian)的开关频率。

2、尽量(liang)增加功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)的(de)(de)数量(liang)，降低功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)的(de)(de)开关频(pin)率(lv)(lv)。

你没有看错，这两个貌似(si)相(xiang)互矛盾(dun)的(de)方案，确(que)是逆(ni)变器行业技术道路的(de)真实写照。为(wei)什(shen)么(me)是这种情(qing)况，逆(ni)变器的(de)中心技术是热(re)设(she)计(ji)技术和输出电流谐波控制技术，功率器件(jian)的(de)开关频率越(yue)(yue)高，输出波形就越(yue)(yue)好，但器件(jian)的(de)损耗也(ye)越(yue)(yue)高，逆(ni)变器体积最(zui)(zui)大(da)，最(zui)(zui)贵的(de)两种器件(jian)是散(san)热(re)器和电感，它们的(de)体积、本钱，重(zhong)量(liang)约占逆(ni)变器的(de)30%左(zuo)右，逆(ni)变器怎(zen)(zen)样(yang)降本钱，怎(zen)(zen)样(yang)减少体积，都要在它们俩身(shen)上打主意。

要(yao)想减少(shao)散热器的体积，就必需求(qiu)减少(shao)功率器件的热损耗，目前有两(liang)种技术道路(lu)：

一是采(cai)用碳化硅材料的(de)元器(qi)件，降低(di)功(gong)率(lv)器(qi)件的(de)内阻

二是采用三电(dian)(dian)平，五电(dian)(dian)对等多电(dian)(dian)平电(dian)(dian)气拓扑以及软开关(guan)技术，降低功率(lv)器(qi)件(jian)两端的电(dian)(dian)压(ya)，降低功率(lv)器(qi)件(jian)的开关(guan)频(pin)率(lv)。电(dian)(dian)感是控制逆变器(qi)输出波形最关(guan)键的硬(ying)件(jian)，要想减(jian)少电(dian)(dian)感的体积，就(jiu)必需增(zeng)加功率(lv)器(qi)件(jian)的开关(guan)频(pin)率(lv)。

1、功率开关管的(de)历史：

第一代是可控硅，也称晶闸管(SCR)，它(ta)只(zhi)能控制(zhi)器件导通(tong)，器件关(guan)(guan)通(tong)要靠主电(dian)路电(dian)压(ya)反(fan)向来(lai)中(zhong)止，因此(ci)说它(ta)是一种半控型器件，它(ta)的开(kai)关(guan)(guan)容量大(da)，能抵达几万安培，耐(nai)压(ya)高，但驱动电(dian)路结构(gou)很复杂(za)，器件的开(kai)关(guan)(guan)频率低，损耗也较(jiao)大(da)。

第二代是(shi)GTR，是(shi)电(dian)流控制型双(shuang)极双(shuang)结电(dian)力电(dian)子器(qi)件，它具有开关损耗小和阻断电(dian)压高(gao)的优点，但开关频率不高(gao)，驱动电(dian)流较大(da)。

第三代(dai)是MOSFET，它是一种电压控制(zhi)型器件，控制(zhi)功率(lv)极(ji)低，开关频率(lv)高，但输(shu)出特性不好(hao)。

第四代是绝(jue)缘栅晶体管(IGBT)，它(ta)是一种用MOS栅控制的晶体管，它(ta)集(ji)中了(le)GTR和(he)MOSFET的优点，驱(qu)动电路简单和(he)开关频率高(gao)，和(he)MOSFET相似，输出电流大(da)和(he)GTR相似，第五代是参与SIC碳(tan)化硅材料的MOSFET和(he)IGBT以及碳(tan)化硅肖特基二极(ji)管。

碳化(hua)硅(SiC)器(qi)件(jian)属于宽禁带(dai)半导(dao)体组(zu)别(bie)，与(yu)常用硅(Si)器(qi)件(jian)相比(bi)，有许多优势：一、是(shi)(shi)耐高(gao)压，碳化(hua)硅器(qi)件(jian)具备更高(gao)的击穿电场强度(du)，最高(gao)耐压可(ke)达10kV，比(bi)硅(Si)器(qi)件(jian)耐压进步了几(ji)倍；二、是(shi)(shi)耐高(gao)温，其最高(gao)结(jie)温可(ke)达600度(du)，而最新英(ying)飞凌的PrimePACK第四代IGBT，其最高(gao)结(jie)温是(shi)(shi)175度(du)；三、是(shi)(shi)碳化(hua)硅器(qi)件(jian)开关(guan)损(sun)(sun)耗(hao)非(fei)常低(di)，非(fei)常适宜用于高(gao)开关(guan)频(pin)率(lv)系统，当(dang)开关(guan)频(pin)率(lv)大于20Khz时，碳化(hua)硅器(qi)件(jian)损(sun)(sun)耗(hao)是(shi)(shi)硅IGBT的50%。IGBT+Si二极管的损(sun)(sun)耗(hao)，随(sui)着频(pin)率(lv)的改(gai)动(dong)损(sun)(sun)耗(hao)变化(hua)幅(fu)度(du)非(fei)常大，而IGBT+SiC二极管的损(sun)(sun)耗(hao)，随(sui)着频(pin)率(lv)的变化(hua)改(gai)动(dong)不是(shi)(shi)很大。特别(bie)是(shi)(shi)在16K到(dao)48K，其总(zong)损(sun)(sun)耗(hao)几(ji)乎是(shi)(shi)线性的，增加幅(fu)度(du)较小。

但是碳化硅也有缺点，限(xian)制了它的应(ying)用范围：

一、是电(dian)流(liu)较(jiao)小(xiao)，迄(qi)今为止SiCMOSFET和肖特(te)基二极管的(de)最(zui)大额(e)定电(dian)流(liu)小(xiao)于100A，大功率逆变器用(yong)不(bu)上；

二、是产能缺乏，价钱还比较贵；

三、是(shi)稳(wen)定(ding)性(xing)和硅基(ji)IGBT相比还差(cha)一(yi)点；

2、软开关与多电(dian)平技(ji)术

软开(kai)关技术应(ying)用谐(xie)振原理(li)，使(shi)开(kai)关器件中的(de)电(dian)流或(huo)者电(dian)压(ya)按正弦(xian)或(huo)者准(zhun)正弦(xian)规律变(bian)化，当电(dian)流自(zi)然(ran)过(guo)零(ling)时(shi)(shi)，关断(duan)器件；当电(dian)压(ya)自(zi)然(ran)过(guo)零(ling)时(shi)(shi)，开(kai)通(tong)器件。从而减少了开(kai)关损耗，同(tong)时(shi)(shi)极大地(di)处置(zhi)了理(li)性关断(duan)，容性开(kai)通(tong)等问题。当开(kai)关管(guan)两(liang)端(duan)的(de)电(dian)压(ya)或(huo)流过(guo)开(kai)关管(guan)的(de)电(dian)流为零(ling)时(shi)(shi)才导通(tong)或(huo)者关断(duan)，这(zhei)样开(kai)关管(guan)不会存(cun)在开(kai)关损耗。

软开(kai)关谐(xie)振变换器是由电(dian)感(gan)、电(dian)容组成谐(xie)振电(dian)路，增(zeng)加了很多器件，系统变得(de)复杂，可靠性(xing)降低；由于(yu)光伏逆变器要保证(zheng)功率要素为(wei)1，因(yin)此软开(kai)关技(ji)术只(zhi)适宜在前级(ji)DC-DC变换中用到，后级(ji)的DC-AC变换还需求多电(dian)平技(ji)术。

按照输出电压的电平数，逆变器可以分为(wei)两电平和多电平。

两电平换(huan)流器(qi)的主要优点有：电路结构简(jian)单，电容器(qi)数(shu)量少，占空中积小。但由于两电平逆变器(qi)器(qi)件需求承受的电压(ya)高，因此开关损耗较大，为了(le)避免(mian)呈现(xian)上(shang)述技术难题，多电平开端呈现(xian)，并遭(zao)到(dao)了(le)越来越多的关注。

所谓多电(dian)(dian)(dian)平(ping)是指输(shu)出电(dian)(dian)(dian)压波形中的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)平(ping)数等于或者(zhe)大于3的(de)(de)换流(liu)器(qi)(qi)(qi)，如(ru)三(san)电(dian)(dian)(dian)平(ping)、五电(dian)(dian)(dian)平(ping)、七电(dian)(dian)(dian)对(dui)等。多电(dian)(dian)(dian)平(ping)换流(liu)器(qi)(qi)(qi)降低(di)(di)了两电(dian)(dian)(dian)平(ping)对(dui)开关器(qi)(qi)(qi)件(jian)两端的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压，可经过适合的(de)(de)调制方式减少开关器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)开关损耗，同时坚持(chi)交流(liu)侧较(jiao)低(di)(di)的(de)(de)谐波。

两电平(ping)与多(duo)电平(ping)优点：

1）损耗对比，两(liang)电(dian)平(ping)中主开关承受电(dian)压(ya)为(wei)为(wei)全部母线电(dian)压(ya)，三电(dian)平(ping)为(wei)直流(liu)侧电(dian)压(ya)一(yi)半(ban)，五电(dian)平(ping)为(wei)直流(liu)侧电(dian)压(ya)四(si)分之一(yi)，电(dian)压(ya)的降低(di)，带来损耗的降低(di)和可靠性增加。

2）输出谐波：输出电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平台(tai)阶越多，波形越趋近(jin)与(yu)正(zheng)弦波，三(san)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平系(xi)统相关于(yu)两电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平系(xi)统，相当于(yu)把开关频率进(jin)步(bu)一倍(bei)，五电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平系(xi)统对两电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平系(xi)统，相当于(yu)把开关频率进(jin)步(bu)两倍(bei)，后面的(de)滤波电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)容量就可(ke)以减少一到两倍(bei)。两电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平与(yu)多电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平缺(que)陷：三(san)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平、五电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平和两电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)平器(qi)件(jian)数(shu)量相比(bi)，要多3倍(bei)到5倍(bei)，随着(zhe)器(qi)件(jian)的(de)增(zeng)加，主电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)道路路长，系(xi)统杂(za)散电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)增(zeng)加，系(xi)统的(de)可(ke)靠性降低(di)，控制算法也变(bian)得很(hen)复杂(za)。

综合(he)起来，要(yao)想(xiang)把逆变器(qi)体积(ji)(ji)降低，一(yi)个(ge)途径是(shi)运用(yong)碳(tan)化(hua)硅材料的(de)功率(lv)(lv)开(kai)(kai)关器(qi)件，进步(bu)开(kai)(kai)关频率(lv)(lv)，降低电(dian)感(gan)的(de)体积(ji)(ji)，但碳(tan)化(hua)硅目前技(ji)术(shu)还(hai)不是(shi)非常成熟，价钱较(jiao)贵，容量也比较(jiao)小，应用(yong)遭到限(xian)制；另(ling)一(yi)个(ge)途径是(shi)采用(yong)软开(kai)(kai)关和多电(dian)平技(ji)术(shu)，可(ke)以降低器(qi)件的(de)电(dian)压(ya)，减少损(sun)耗，从而减少散热(re)器(qi)的(de)体积(ji)(ji)，还(hai)可(ke)以间(jian)接(jie)进步(bu)开(kai)(kai)关频率(lv)(lv)，降低电(dian)感(gan)的(de)体积(ji)(ji)，但是(shi)这(zhei)个(ge)方案元器(qi)件增加(jia)几(ji)倍(bei)，增加(jia)了系统的(de)风险(xian)。

有(you)(you)没有(you)(you)一种器件，既有(you)(you)碳化(hua)硅(gui)材(cai)料的(de)低内阻(zu)，还(hai)有(you)(you)三(san)电(dian)(dian)平结构(gou)的(de)低电(dian)(dian)压，整(zheng)个(ge)系统的(de)元器件还(hai)不能多(duo)，还(hai)要好(hao)(hao)安装，好(hao)(hao)控制(zhi)，可靠性(xing)也(ye)要好(hao)(hao)，而(er)且价钱(qian)也(ye)不能太贵。集成这么(me)多(duo)优势的(de)元器件到(dao)底有(you)(you)没有(you)(you)？

这种功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)器(qi)(qi)件(jian)还(hai)真有，它就是(shi)集(ji)成(cheng)多个(ge)(ge)元(yuan)器(qi)(qi)件(jian)的(de)功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)模块(kuai)。下(xia)图(tu)是(shi)用于(yu)光伏逆变器(qi)(qi)的(de)功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)模块(kuai)，它结构紧凑(cou)，将多个(ge)(ge)分(fen)立器(qi)(qi)件(jian)集(ji)成(cheng)到一个(ge)(ge)模块(kuai)中，减(jian)(jian)少了器(qi)(qi)件(jian)之(zhi)间连线的(de)寄(ji)生阻抗。功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)模块(kuai)驱(qu)动回(hui)路(lu)(lu)(lu)与主功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)回(hui)路(lu)(lu)(lu)从(cong)不同的(de)管脚分(fen)别引出，减(jian)(jian)少了IGBT主功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)回(hui)路(lu)(lu)(lu)对驱(qu)动回(hui)路(lu)(lu)(lu)的(de)电(dian)磁干扰(rao)。模块(kuai)配(pei)置了NTC电(dian)阻，可以精(jing)准地检测模块(kuai)内(nei)部(bu)温度(du)。2802.png前级DC-DC电(dian)路(lu)(lu)(lu) 由(you)2个(ge)(ge)高速IGBT、4个(ge)(ge)碳化硅二极管和一个(ge)(ge)温度(du)传感(gan)器(qi)(qi)等7个(ge)(ge)元(yuan)器(qi)(qi)件(jian)组成(cheng)，包含双路(lu)(lu)(lu)boost模块(kuai)，额定电(dian)流为(wei)50A，可以支持25kW的(de)MPPT回(hui)路(lu)(lu)(lu)。

后级(ji)采(cai)(cai)用(yong)高(gao)效(xiao)MNPC三(san)电(dian)(dian)平(ping)IGBT模块(kuai)，由4个50-80A的IGBT组成，一个模块(kuai)相当于8个分立器(qi)件(jian)(jian)。采(cai)(cai)用(yong)中(zhong)点钳位型的T型三(san)电(dian)(dian)平(ping)结构，损(sun)耗(hao)低效(xiao)率(lv)高(gao)，元器(qi)件(jian)(jian)承受的电(dian)(dian)压低，寿(shou)命长。

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