光伏并网逆变器硬件设计以及拓扑结构

光伏并网逆变器及其拓扑结构的设计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。 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。 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 (图 1)。图 1: 欧洲效率计算比重1、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。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。2、单相无变压器式光伏逆变器拓扑结构的设计：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，如图 2 所示：图 2: 单相无变压器式光伏逆变器功能图这个功能可以通过以下的原理图实现（图 3）Boost inductorSiC3600V400V600V COOLMOS600V trench IGBT 600V trench IGBT600V COOLMOS600V COOLMOSline inductor220vSolar cell125-430v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 。本研究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，可以使安装简单、可靠，同时研发设计周期短，可以更快地把产品推向市场，并使设备具有更好的电气性能。对于功率模块的设计，我们需要注意以下几点：（ 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技术参数：Boost 电路由 MOSFET(600V/45mΩ) 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。 H 桥电路上半桥由 75A/600V IGBT和 SiC 二极管组成，下半桥由 MOSFET(600V/45mΩ) 组成，此模块集成了温度检测电阻。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：仿真条件：2inP kw16PWMf kHz300PV nominalV V400DCV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 ) 根据仿真结果我们可以看到， 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。3、三相无变压器光伏逆变器拓扑结构的设计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（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钳位(NPC=neutral point clamped) 的拓扑结构（图 8） 。这样就可以使用 600V 的器件取代 1200V的器件 。Boost inductorSiC3600V600V MOS4IGBT3600V trench line inductor220vBoost inductor400V400VSiC3600VSolar cell 1125-430vSolar cell 2125-430v600V MOS3SiC3 600VSiC3 600VCoolMOS2600VCoolMOS1600V400V400VIGBT4600V trench 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（图 9） ：双 Boost 电路都是由 MOSFET(600V/45mΩ) 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。图 9:flowSOL-NPB 对称双 boost 电路（ 2） NPC 逆变桥模块的技术参数（图 10） ：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/45m Ω )组成， 中心点钳位二极管由 SiC 肖特基二极管组成， 模块内部集成温度检测电阻。图 10: flowSOL-NPI – NPC 逆变桥对于这种拓扑结构， 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: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。