最新高效率光伏逆变器拓扑结构及功率器件介绍(20180813163105)

最新高效率光伏逆变器拓扑结构及功率器件介绍韩 军 应用工程师 vincotech (china) 陈道杰 资深应用工程师 vincotech (china)1 引言 对于传统电力电子装置的设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。因为对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显 [1]。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分（见图1）。图 1 欧洲效率计算比重因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率。欧洲效率是一个新的参数，主要是针对光伏逆变器提出来的。由于太阳光在不同时间，强度是不一样的，所以光伏逆变器其实并不会一直工作在额定功率下，更多的是工作在轻负载的时候。所以衡量光伏逆变器的效率，不能完全以额定功率下的效率来衡量。所以欧洲人就想出来了一个新的参数 – 欧洲效率来衡量。欧洲效率的计算方法如表 1。欧洲效率的改善所带来的经济效益也很容易通过计算得到。例如以一个额定功率 3kw 的光伏逆变器为例，根据现在市场上的成本估算，光伏发电每千瓦安装成本大约需要 4000 欧元 [2]，那也就意味着光伏逆变器每提高欧效 1%就可以节省 120 欧元（光伏发电现在的成本大概在每千瓦 4000 欧元，或者说每瓦 4 欧元，包括太阳能电池和光伏逆变器，对于一个 3kw 的发电装置，如果逆变器效率提高了 1%，也就是说多发了 30w ，那么成本就可以节省 4× 30=120欧元）。提高光伏逆变器的欧洲效率带来的经济效益是显而易见的， “ 不惜成本 ” 追求更高的欧效也成为现在光伏逆变器发展的趋势。2 功率器件的选型在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素， igbt 是最多被使用的器件。因为 igbt 导通压降的非线性特性使得 igbt 的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言， igbt 的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时，igbt 的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反， mosfet 的导通压降是线性的，在轻载情况下具有更低的导通压降，而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力， mosfet 成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提高欧效后的巨大经济回报，最新的比较昂贵的器件，如 sic 二极管，也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中， sic 肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗，降低电磁干 扰 。3 光伏逆变器的设计目标 对于 无 变压器 式 光伏逆变器，它的主要设计 目标 为 ：(1) 对太阳能电池输 入 电压 进行 最大功率点 跟踪 ，从而得到最大的输 入 功率 ；(2) 追求光伏逆变器最大欧效 ；(3) 低的电磁干 扰 。为了得到最大输 入 功率，电 路 必须具 备 根据不同太阳光 条 件 自 动 调 节输 入 电压的功能，最大功率点一 般 在开 环 电压的 70% 左右 ， 当 然这和具 体 使用的光伏电池的特性也有关。 典型 的电 路是通过一个 boost 电 路 来实现。然后 再 通过逆变器 把 直流电逆变为可并 网 的正 弦交 流电。4 单相无变压器式光伏逆变器拓扑介绍 拓扑结构 的选 择 和光伏逆变器额定输出功率有关。对于 4kw 以下的光伏逆变器，通常选用直流 母 线不 超 过 500v ， 单 相输出的 拓扑结构 。这个功能（见图 2）可以通过以下的 原理 图实现（见图 3）。图 2 单 相 无 变压器 式 光伏逆变器功能图图 3 单 相 无 变压器 式 光伏逆变器 原理 图boost 电 路 通过对输 入 电压的 调整 实现最大功率点 跟踪 。 h 桥 逆变器 把 直流电逆变为正 弦交 流电 注入 电 网 。上半 桥 的 igbt 作为极性 控制 器，工作在 50hz ，从而降低 总 损耗和逆变器的输出电磁干 扰 。下半 桥 的 igbt 或者 mosfet 进行 pwm 高频 切换 ，为了 尽 量 减小 boost 电 感 和输出 滤波 器的大 小 ， 切换 频率要求 尽 量高一 些 ，如 16khz 。4.1 单相无变压器式光伏逆变器的优点我们 推荐 使用功率 模块 来设计光伏逆变器，因为 把 图 3 拓扑结构 上的所有器件 集 成到一个 模块里面 可以提 供 以下 优 点 ：(1) 安装 简单 ，可 靠；(2) 研 发设计 周期短 ，可以更 快 地 把产品推向 市场 ；(3) 更 好 的电 气 性能。4.2 对于模块设计对于模块设计， ， 必需要达到的指标而对于 模块 的设计，我们必须保证 ：(1) 直流 母 线 环路 低电 感 设计为了实现这个 目标 ，我们必须同时降低 模块内 部和外部的 寄生 电 感 。为了降低 模块内 部的 寄生电 感 ，必须 优 化 模块内 部的 绑 定线，管 脚布 置以 及内 部 走 线。为了降低 模块 外部 寄生 电 感 ，我们必须保证在 满足 安全间 距 的 前 提下， boost 电 路 和逆变 桥 电 路 的直流 母 线正负 两端尽 量 靠近 。(2) 给快速 开关管 配 置 专 有的 驱 动管 脚开关管在开关过 程 中， 绑 定线的 寄生 电 感 会 造 成 驱 动电压的降低。从而导 致 开关损耗的增加，甚至 开关 波形 的 震荡 。在 模块内 部，通过 给 每个开关管 配 置 专 有的 驱 动管 脚 （直 接 从 芯片 上 引出），这样就可以保证在 驱 动 环路 中不会有大电流流过，从而保证 驱 动回 路 的 稳 定可 靠 。这 种解决 方 案目前只 有功率 模块 可以实现， 单 管 igbt 还做 不到。图 4 显 示 了 vincotech 公司 最新 推 出的光伏逆变器 专 用 模块 flowsol-bi （ p896-e01 ），它 集 成了上 面 所说的 优 点。图 4 flowsol-bi boost 电 路 和全 桥 逆变电 路4.3 技术参数(1) boost 电 路 由 mosfet(600v/45m ω) 和 sic 二极管组成 ；(2) 旁路 二极管主要是 当 输 入超 过额定负载时， 旁路 boost 电 路 ，从而改善逆变器 整体 效率 ；(3) h 桥 电 路 上半 桥 由 75a/600v igbt 和 sic 二极管组成，下半 桥 由 mosfet(600v/45m ω) 组成 ；(4) 集 成了 温 度 检测 电 阻 。5 单相无变压器光伏逆变器专用模块 flowsol0-bi 的效率计算 这 里 我们主要考虑功率半导 体 的损耗，其 他 的 无源 器件，如 boost 电 感 ，输出 滤波 电 感 的损耗不计算在 内 。基于这个电 路 的相关参数， 仿真结 果如下 ：条 件● pin=2kw；● fpwm = 16khz ；● vpv-nominal = 300v ；● vdc = 400v 。根据图 5、 6 的 仿真结 果可以 看 到， 模块 的效率 几乎 不随负载的降低而下降。 模块总 的欧洲效率 (boost+inverter) 可以 达 到 98.8% 。 即 使加上 无源 器件的损耗， 总 的光伏逆变器的效率仍然可以 达 到 98% 。图 6 虚 线显 示 了使用常 规 功率器件，逆变器的效率变化。可以明显 看 到，在低负载时，逆变器效率下降很 快 。图 5 boost 电 路 效率 仿真结 果 ee=99.6% 图 6 flowsol-bi 逆变电 路 效率 仿真结 果 -ee=99.2% 标 准 igbt 全 桥 -ee=97.2% ( 虚 线 ) 6 三相无变压器光伏逆变器拓扑结构介绍 大功率光伏逆变器需要使用更多的光伏电池组和 三 相逆变输出（见图 7），最大直流 母 线电压会 达 到 1000v 。图 7 三 相 无 变压器 式 光伏逆变器功能图这 里标 准的应用是使用 三 相全 桥 电 路 。考虑到直流 母 线电压会 达 到 1000v ，那开关器件就必须使用 1200v 的。而我们 知道 ， 1200v 功率器件的开关 速 度会比 600v 器件 慢 很多，这就会增加损耗， 影响 效率。对于这 种 应用，一个比较 好 的 替代 方 案 是使用中 心 点 箝 位 (npc=neutral pointclamped) 的 拓扑结构 （见图 8）。这样就可以使用 600v 的器件 取代 1200v 的器件。图 8 三 相 无 变压器 npc 光伏逆变器 原理 图为了 尽 量降低回 路 中的 寄生 电 感 ，最 好 是 把 对 称 的 双 boost 电 路 和 npc 逆变 桥各自集 成在一个模块里 。(1) 双 boost 模块技术 参数（见图 9）图 9 flowsol-npb —对 称双 boost 电 路● 双 boost 电 路都 是由 mosfet(600v/45 m ω) 和 sic 二极管组成 ；● 旁路 二极管主要是 当 输 入超 过额定负载时， 旁路 boost 电 路 ，从而改善逆变器 整体 效率 ；● 模块内 部 集 成 温 度 检测 电 阻 。(2) npc 逆变 桥模块 的 技术 参数 (见图 10) 图 10 flowsol-npi -npc 逆变 桥● 中间 换向环 节由 75a/600v 的 igbt 和 快恢复 二极管组成 ；● 上下高频 切换环 节由 mosfet(600v/45 m ω) 组成 ；● 中 心 点 箝 位二极管由 sic 二极管组成 ；● 模块内 部 集 成 温 度 检测 电 阻 。对于这 种拓扑结构 ，关于 模块 的设计要求基本 类似 于 前文 提到的 单 相逆变 模块 ， 唯 一需要额外注 意的是， 无论 是 双 boost 电 路还 是 npc 逆变 桥 ， 都 必须保证 dc+ ， dc-和中 心 点 之 间的低电感 设计。有了这 两 个 模块 ，就很容易设计更高功率输出光伏逆变器。例如使用 两 个 双 boost 电 路 并 联 和三 相 npc 逆变 桥 就可以得到一个高效率的 10kw 的光伏逆变器。而且这 两 个 模块 的管 脚 设计充分考虑了并 联 的需求，并 联 使用非常方 便 。图 11 是 双 boost 模块 并 联 和 三 相 npc 逆变输出 模块布局 图。图 11 双 boost 模块 并 联 和 三 相 npc 逆变输出 模块布局 图针对 1000v 直流 母 线电压的光伏逆变器， npc 拓扑结构 逆变器是 目前 市场上效率最高的。图 12 比较了 npc 模块 (mosfet+igbt) 和使用 1200v 的 igbt 半 桥模块 的效率。图 12 npc 逆变 桥 输出效率 (实线 )和半 桥 逆变效率 (虚 线 )比较根据 仿真结 果， npc 逆变器的欧效可以 达 到 99.2% ，而后者的效率 只 有 96.4% 。 npc 拓扑结构的 优 势是显而易见的。7 下一代光伏逆变器拓扑的设计思路介绍 目前混 合 型 h 桥 （ mosfet ＋ igbt ） 拓扑已 经 取 得了较高的效率 等级 。而下一 代 的光伏逆变器，将 会 把 主要 精 力 集 中在以下性能的改善 ：(1) 效率的 进 一 步 提高 ；(2) 无 功功率 补偿；(3) 高效的 双向 变 换模式 。7.1 单相光伏逆变器拓扑结构对于 单 相光伏逆变器，首 先讨论 如 何进 一 步 提高 混 合 型 h 桥拓扑 的效率 (见图 13) 。在图 13 中，上 桥臂 igbt 的开关频率一 般 设定为电 网 频率（例如 50hz ），而下 桥臂 的 mosfet则 工作在较高的开关频率下，例如 16khz ，来实现输出正 弦波 。 仿真 显 示 ，这 种 逆变器 拓扑 在2kw 额定功率输出时，效率可以 达 到 99.2 ％ 。由于 mosfet 内 置二极管的 速 度较 慢 ，因此 mosfet 不能被用在上 桥臂 。图 13 光伏逆变器的发展 －混 合 型由于上 桥臂 的 igbt 工作在 50hz 的开关频率下，实 际 上并不需要对 该支路进行滤波 。因此对电路拓扑进行优 化，可以得到图 14 所 示 的发 射 极开 路型拓扑 。这 种拓扑 的 优 点是 只 有有高频电流经过的 支路 才有 滤波 电 感 ，从而 减小 了输出 滤波 电 路 的损耗。图 14 改 进 的 无 变压器上 桥臂 发 射 极开 路型拓扑目前 vincotech 公司已 经有 标 准的发 射 极开 路型 igbt 模块产品 ， 型号 是 flowsol0-bi open e (p896-e02) ，如图 15 所 示 。图 15 flowsol0-bi-open e (p896-e02) 技术 参数 ：(1) 升 压电 路采 用 mosfet(600v/45m ω) 和 sic 二极管组成 ；(2) 旁路 二极管主要是 当 输 入超 过额定负载时， 旁路 boost 电 路 ，从而改善逆变器 整体 效率 ；(3) h 桥 的上 桥臂采 用 igbt(600v/75a) 和 sic 二极管，下 桥臂采 用 mosfet(600v/45 m ω) ；(4) 模块内 部 集 成 温 度 检测 电 阻 。下 面再 来分 析 一下图 14 所 示 的发 射 极开 路型拓扑 。 当 下 桥臂 的 mosfet 工作时， 与 上 桥臂 igbt反并 联 的二极管 却 由于 滤波 电 感 的作用 没 有工作，这样就可以在上 桥臂 也使用 mosfet ，在轻载时提高逆变器的效率。 仿真结 果显 示 ，在 2kw 额定功率输出时，这 种 光伏逆变器的欧效可以提高 0.2% ，从而使效率 达 到 99.4% 。在实 际 的应用场合中，这 种拓扑 对效率的提高会更多，因为 仿真结 果是在 假 定 芯片结温 125 ℃ 的情况下得到的，但由于 mosfet 体积 较大，且光伏逆变器经常工作在轻载情况下， mosfet 芯片结温远远 低于 125 ℃ ，因此实 际 工作时 mosfet的导通 阻抗 rds-on 将 比 仿真 时的数 值 要低，损耗相应也会更 小 。如 何解决无 功功率的 问题呢？ 这 种 电 路拓扑 处 理无 功功率的 唯 一方法就是使用 fred － fet，但这些 器件的导通 阻抗 rds-on 通常 都 很高。另一个缺点是其反 向恢复 特性较 差 ， 影响无 功 补偿 和双向 变 换 时的性能。但是在 某些 特 殊 应用中，如果必须通过 无 功功率来 测 量线 路阻抗 或者保 护某些 元器件，那么图 16 所 示拓扑将 可以 满足 以上要求。图 16 所 示拓扑结构允许纯无 功负载，能够提高对电 网 的 无 功 补偿 ，也能 满足双向 功率流动，例如实现高效电池充电。如果应用 sic 肖特基二极管，这 种 电 路拓扑将 可以 达 到更高的效率 等级 。表 2 是 2kw 额定功率下不同 拓扑结构 的欧洲效率图 16 适 应 无 功负载的全 mosfet 拓扑7.2 三相光伏逆变器拓扑结构对于 npc 拓扑 的 三 相光伏逆变器也可以 做类似 的改 进 。以一相为例，在 2kw 额定输出时， 三 电平逆变器 (见图 17)可以 达 到 99.2% 的欧效 (见表 2)。 稍作改动， 该拓扑 就可以实现 无 功功率流动。图 17 三 电平逆变器在输出 与 直流 母 线间增加 1200v 二极管后， 该拓扑 （见图 18 ）就可以输出 无 功功率。同时也可以用作高效率的 双向 逆变器，实现能量的反 向 变 换 。为了 减小 损耗， d3， d4 推荐 使用 sic 二极管。图 18 可实现 无 功功率输出的 npc 拓扑 逆变器但由于 1200v 的 sic 价 格 过高，图 19 所 示 的 拓扑将 会是一 种 比较 好 的选 择 。图 19 可实现 无 功功率输出的 npc 拓扑 逆变器 (增加了 2 个 sic 二极管和 4 个 si 二极管 ) 这 种拓扑只 使用了 两 个 600v 的 sic 二极管（ d4 ， d6）。 d3 和 d5 采 用 快速 si 二极管， d7 和 d8 采 用 小型 si 二极管，用来 防止 sic 二极管过压损 坏 。这 里 是 否 可能也全部 采 用 mosfet 来实现 呢？答案 是可以的， 前 提是需要 把 mosfet 的 体 二极管旁路掉 。这可以通过 把 上下半 桥 的输出 端 子分开并 配 上 各自 的 滤波 电 感 来实现。图 20 的电 路拓扑 可以提高在轻载时的效率。图 20 采 用 mosfet 实现 无 功功率输出的 npc 拓扑 逆变器图 21 是全 采 用 mosfet 方 案 和 混 合 型 方 案 在额定功率 2kw 时的效率比较。图 21 全 采 用 mosfet 方 案 和 混 合 型 方 案 在额定功率 2kw 时的效率比较其欧效可以从 99.2% 提高到 99.4% 。 无 功功率由 1200v 快速 二极管通 路 实现。在选 择 二极管时， 推荐 使用 sic 二极管，这样可以在反 向 变 换 时， 达 到更高的效率。或者如图 22 所 示 ， d4和 d6 采 用 600v sic 二极管，另外 四 个 采 用 快恢复 si 二极管。图 22 采 用 2 个 sic 二极管 、 4 个 si 二极管和分 别 输出方 式 的 npc 逆变器 拓扑8 结束语 这 些 新的 拓扑 使得逆变器的效率能够 达 到更高的欧效 等级 。 即 使在输出功率为 0.4kw 时，我们仍然可以 达 到最高的效率，这也使得可以通过 模块 并 联 来 进 一 步 提 升系 统容量。此时可以非常容易的计算出 投资 回报率，从而也显 示 出效率 等级 在光伏逆变器应用中的重要作用。对 无 功功率输出的改善同样使得这 种拓扑结构拥 有以下特性和更 广泛 的应用 ：(1) 线 路无 功 补偿；(2) 高效电池充电，可应用于后 备 电 源系 统 、 电动 交 通工具和 混 合动力 汽车；(3) 高效 、 高 速 电 机驱 动。