新型逆变器优化光伏系统设计

近年来光伏发电在各国的普及和应用取得可观的进展。 作为电能转换的关键环节，电力电子变换器对于 光伏系统 的整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。本文在简要回顾了太阳能市场近年来的发展之后， 着重分析了 逆变器 “ 太阳能逆变器的设计需要并由此阐述了功率半导体器件与电路拓扑方面的优选原则。随着对绿色能源不断增长的需求， 太阳能发电近年来的迅猛发展引起了各方面的广泛关注。 2009 年度以美国为例，太阳能工业总产值在整体经济低迷的形势下仍增长了百分之三十六，并吸引了高达 14 亿美元的风险投资。据有关方面的可靠报导， 在未来三年里， 全世界对光伏发电系统的年需求将保持百分之三十的速度递增。 这样的高增长率预测是基于以下几个因素 目前过剩的生产能力已经将光伏系统的平均制造成本削减了百分之二十五； 光伏系统的安装价格在持续下降； 世界范围内各国与地区的政府补贴。 中国太阳能资源非常丰富， 近期来国家的补贴扶持政策陆续推出。 如其中最具影响的金太阳工程提出对光伏并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予 50及 70的财政补贴。 可以相信，中国太阳能产业现在处于一个高速发展的时期。电力电子的设计对于太阳能发电系统的整体效能具有举足轻重的地位。 最高的转换效率永远是系统设计工程师考虑的首要因素。由于光电转换板的效率很低， 通常不超过百分之二十， 因此 太阳能逆变器 的转换效率对于减小太阳能板总面积和系统总体积就至关重要。 除此之外， 在电能转换过程的功率损耗直接导致了半导体晶圆的温度升高， 所以要通过散热器有效耗散这部分损耗能量。 器件工作时的温升和热应力是影响可靠性的重要参数， 换言之， 减少功率变换损耗不仅节约了能源， 还提高了系统可靠性， 缩减了系统体积和成本。 本文将阐述以提高能效为目标的太阳能逆变器设计原则， 并介绍市场上应运而生的各种新器件， 新电路和最新控制技术。电路拓扑要把太阳能转换板输出的 “粗电” （波动的直流电压） 变成恒定可靠的正弦波交流市电， 实现方式通常分为两种构架 单级变换和两级变换， 也称为无直流斩波和有直流斩波式。直流 - 直流斩波器能够保持逆变器输入侧电压的恒定和可调， 从而实现电压和功率控制之间的解耦。 有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。 但是， 毋庸置疑， 这一级额外的变换装置很可能对系统效率带来负面影响， 所以越来越多的厂商在开发或评估单级变换的架构， 即使这样会面临更复杂的逆变器控制和潜在的更高器件耐量要求。在新的拓扑结构中，HERIC 和多电平结构吸引了业界更多的关注而且有望成为主流的拓扑形式， 特别是在和电网相联的情况下。图 1 HERIC 拓扑结构图 2 三电平钳位二极管拓扑。如图 1 所示， HERIC逆变器的结构是在传统的单相逆变全桥基础上新增加了一对二极管串联开关反并联作为输出。 新增电路中的开关器件以工频周波速度开关， 对于器件速度没有特殊需求。 在应用了适当的相位控制之后， 这种电路能够更加有效地处理无功功率， 从而提高整个系统的效率。 应当指出， 这种拓扑结构现在仍然处于 Sunways所获专利的有效期之内， 因而在欧洲的应用相对于亚洲和北美要广泛。三电平二极管钳位逆变器是近来受到特别关注的一种新型太阳能逆变电路拓扑， 它已被成功地使用在高电压的集中式太阳能发电应用中。 图 2 所示的三相三电平电路的每个桥臂由 4 只带反并联二极管的开关串联而成， 另外每相有一个二极管相臂跨接在主开关之间， 且其中点和直流母线的中性点直接连通。 这个二极管相臂起电压钳位的作用以保证电路工作时， 每个主开关器件所受最大电压应力为母线电压的一半。 由于这种特殊的拓扑结构， 三电平输出具有低次谐波小 （交流输出更接近正弦） ， 电磁噪声水平低， 所需开关器件的电压耐量低和级数可扩展等优点。在太阳能并网发电时，尤其适用于三相大功率高电压的场合。此外，多电平电路对于系统成本的节约意义显著。体现在三个方面首先，实践证明，高压半导体开关器件的价格高于相同电流耐量一半电压耐量的低压器件的两倍，从而三电平电路的器件成本更低； 其次， 输出电压的谐波小， 所需的滤波器磁性元件尺寸大为减小， 从而降低了滤波设备成本； 最后， 由于开管数量的增多， 即使在脉宽调制方式下， 三电平的部分主开关可以在低频下开关， 就可以采用相对经济的开关器件。近年来光伏发电在各国的普及和应用取得可观的进展。 作为电能转换的关键环节，电力电子变换器对于光伏系统的整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。本文在简要回顾了太阳能市场近年来的发展之后， 着重分析了太阳能逆变器的设计需要并由此阐述了功率半导体器件与电路拓扑方面的优选原则。随着对绿色能源不断增长的需求， 太阳能发电近年来的迅猛发展引起了各方面的广泛关注。 2009 年度以美国为例，太阳能工业总产值在整体经济低迷的形势下仍增长了百分之三十六，并吸引了高达 14 亿美元的风险投资。据有关方面的可靠报导， 在未来三年里， 全世界对光伏发电系统的年需求将保持百分之三十的速度递增。 这样的高增长率预测是基于以下几个因素 目前过剩的生产能力已经将光伏系统的平均制造成本削减了百分之二十五； 光伏系统的安装价格在持续下降； 世界范围内各国与地区的政府补贴。 中国太阳能资源非常丰富， 近期来国家的补贴扶持政策陆续推出。 如其中最具影响的金太阳工程提出对光伏并网项目和无电地区离网光伏发电项目分别给予 50及 70的财政补贴。 可以相信，中国太阳能产业现在处于一个高速发展的时期。电力电子的设计对于太阳能发电系统的整体效能具有举足轻重的地位。 最高的转换效率永远是系统设计工程师考虑的首要因素。由于光电转换板的效率很低， 通常不超过百分之二十， 因此太阳能逆变器的转换效率对于减小太阳能板总面积和系统总体积就至关重要。 除此之外， 在电能转换过程的功率损耗直接导致了半导体晶圆的温度升高， 所以要通过散热器有效耗散这部分损耗能量。 器件工作时的温升和热应力是影响可靠性的重要参数， 换言之， 减少功率变换损耗不仅节约了能源， 还提高了系统可靠性， 缩减了系统体积和成本。 本文将阐述以提高能效为目标的太阳能逆变器设计原则， 并介绍市场上应运而生的各种新器件， 新电路和最新控制技术。电路拓扑要把太阳能转换板输出的 “粗电” （波动的直流电压） 变成恒定可靠的正弦波交流市电， 实现方式通常分为两种构架 单级变换和两级变换， 也称为无直流斩波和有直流斩波式。直流 - 直流斩波器能够保持逆变器输入侧电压的恒定和可调， 从而实现电压和功率控制之间的解耦。 有些时候也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。 但是， 毋庸置疑， 这一级额外的变换装置很可能对系统效率带来负面影响， 所以越来越多的厂商在开发或评估单级变换的架构， 即使这样会面临更复杂的逆变器控制和潜在的更高器件耐量要求。在新的拓扑结构中，HERIC 和多电平结构吸引了业界更多的关注而且有望成为主流的拓扑形式， 特别是在和电网相联的情况下。图 1 HERIC 拓扑结构图 2 三电平钳位二极管拓扑。如图 1 所示， HERIC逆变器的结构是在传统的单相逆变全桥基础上新增加了一对二极管串联开关反并联作为输出。 新增电路中的开关器件以工频周波速度开关， 对于器件速度没有特殊需求。 在应用了适当的相位控制之后， 这种电路能够更加有效地处理无功功率， 从而提高整个系统的效率。 应当指出， 这种拓扑结构现在仍然处于 Sunways所获专利的有效期之内， 因而在欧洲的应用相对于亚洲和北美要广泛。三电平二极管钳位逆变器是近来受到特别关注的一种新型太阳能逆变电路拓扑， 它已被成功地使用在高电压的集中式太阳能发电应用中。 图 2 所示的三相三电平电路的每个桥臂由 4 只带反并联二极管的开关串联而成， 另外每相有一个二极管相臂跨接在主开关之间， 且其中点和直流母线的中性点直接连通。 这个二极管相臂起电压钳位的作用以保证电路工作时， 每个主开关器件所受最大电压应力为母线电压的一半。 由于这种特殊的拓扑结构， 三电平输出具有低次谐波小 （交流输出更接近正弦） ， 电磁噪声水平低， 所需开关器件的电压耐量低和级数可扩展等优点。在太阳能并网发电时，尤其适用于三相大功率高电压的场合。此外，多电平电路对于系统成本的节约意义显著。体现在三个方面首先，实践证明，高压半导体开关器件的价格高于相同电流耐量一半电压耐量的低压器件的两倍，从而三电平电路的器件成本更低； 其次， 输出电压的谐波小， 所需的滤波器磁性元件尺寸大为减小， 从而降低了滤波设备成本； 最后， 由于开管数量的增多， 即使在脉宽调制方式下， 三电平的部分主开关可以在低频下开关， 就可以采用相对经济的开关器件。电力电子器件的常用种类和选型原则用于广义的太阳能逆变器（含输入直流斩波级）的功率半导体器件主要有MOSFET， IGBT， Super Junction MOSFET。其中 MOSFET速度最快，但成本也最高。与此相对的 IGBT则开关速度较慢，但具有较高的电流密度，从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结 MOSFET介于两者之间，是一种性能价格折中的产品， 在实际设计中被广为应用。 概括地说， 选用哪类器件取决于成本， 效率的要求并兼顾开关频率。如果要求硬开关在 100 千赫以上，一般只有 MOSFET能够胜任。在较低频段如 15 千赫，如没有特殊的效率要求，则选择 IGBT。在此之间的频率， 则取决于客户对转换效率和成本的具体要求。 系统效率和成本之间作为一对矛盾， 设计工程师将根据其相应关系对照目标系统要求以确定最贴近系统要求的元件型号。 为了帮助设计人员量化的分析效率和器件成本之间的关系， 表一罗列了三种半导体开关器件的功率损耗和价格因素， 为了便于比较， 各参数均以 MOSFET情况作归一化处理。超结 MOSFET 工艺目前没有超过 900V 的器件。表 1 常用开关器件的性能与价格对照表 （所有数字以 MOSFET情况归一化）除去以上最典型的三类全控开关器件，业界还存在像碳化硅二极管和ESBT 等基于新材料和新工艺的产品。它们目前的价格还比较高，主要应用于对太阳能发电效率有特殊要求的场合。 但随着生产工艺的不断进步和器件单价的下降，这类器件也将逐步变为主流产品，甚至替代上述的某一类器件。工业界的最新产品由于太阳能发电市场的庞大规模与发展潜力， 世界各大半导体生产厂商都竞相推出自己的产品追逐市场。 近几年来， 各种针对太阳能功率变换的新器件和新技术层出不穷。在如火如荼的市场竞争中，美高森美（ microsemi ）的太阳能系列产品以其先进工艺和应用技术而独树一帜。单相全桥混合器件模块与三电平混合器件模块图 3 所示的混合单相全桥功率模块是专用于太阳能单相逆变的产品。 配合以单极型调制方法， 每个桥臂的两只开关管分别工作在完全相异开关频率范围。 以图示为例，上管总是在工频切换通断状态，而下管总是在脉宽调制频率下动作。根据这种工作特点，上管总是选用相对便宜的门极沟道型（ Trench） IGBT 以优化通态损耗，而下管可选择非穿通型（ NPT） IGBT 以减少开关损耗。这种拓扑结构不但保障了最高系统转换效率还降低了整个逆变设备的成本。 图 4 给出了不同器件搭配的转换效率曲线以印证这种太阳能功率模块的优越性。 可以发现， 这种混合器件配置在不同负载下能实现 98以上的转换效率。图 3 混合器件太阳能逆变模块。图 4 不同器件搭配的逆变器效率对比。在美高森美的三电平逆变模块中， 也引入了混合器件的机制。 其主旨在于充分利用两端器件开关频率远高于中间相邻两器件。因而 APTCV60 系列三电平模块使用两头超结 MOSFET中间 Trench IGBT 的结构进一步提高效率。ESBTESBT 是应用于太阳能的一种新型高电压快速开关器件，它兼顾了 IGBT 和MOSFET 的优点，不仅电压耐量高于 MOSFET，而且损耗小于快速 IGBT器件。美高森美即将推向市场的 ESBT 太阳能升压斩波器模块集成了碳化硅二极管和ESBT， 面向 5 千瓦至 20 千瓦的超高效率升压应用。其电压耐量为 1200V， 集电极和射极间饱和通态电压很低 （接近 1V），优化开关频率在 30 千赫至 40 千赫之间， 可选择单芯片模块或双芯片模块封装。 实验表明， 这种功率模块比目前市场上对应的 IGBT模块减少 40 的损耗。根据 6 千瓦的参考设计实验结果，此模块在 50至满负载之间，转换效率比最快的 IGBT器件要提高至少 0.6 个百分点。 因此， 在碳化硅全控器件的价格下降到可接受的范围之前， 对于超高效率的太阳能功率变换应用， ESBT将是开关器件的不二之选。图 5 ESBT 升压斩波模块。旁路二极管位于太阳能逆变器前端的旁路二极管， 严格来说虽然不属于逆变部分， 但是作为太阳能发电设备的一部分， 对于逆变器运行乃至整个系统的可靠性也至关重要。美高森美新针对此应用推出两款新产品 LX2400和 SFDS1045。 LX2400融入了最新的散热封装技术 CoolRUNTM工艺，无需散热器，通过 10A电流时温升小于 10 C。 以 30 年稳定运行为目标的可靠性设计保证了 100uA以下漏电流， 20A 的稳态电流能力，和双向抗闪电功能。其最大特点是业界最低温升。 SFDS1045是新一代肖特基二极管，也是迄今为止业界最薄的旁路二极管，只有 0.74mm厚度并置于玻璃封装之下， 特别适合直接应用于太阳能板。 另外其独特的柔韧铜引脚具有卫星应用级别的可靠性。结论提高转换效率和降低成本是太阳能逆变器设计的长期课题， 也是工程设计人员面临的最大挑战。本文以如何设计优化的新一代太阳能功率变换系统出发， 讨论了集中式太阳能逆变器的设计原则， 典型拓扑结构和开关器件的选型方法。 阐述了设计工程师如何运用器件， 电路与系统各个层次上的新技术优化逆变器系统设计的方案。 实践证明， 美高森美的多个相关新产品能够从多个方面优化系统性能，为太阳能逆变器市场提供了高效，可靠，经济的系统解决方案。