一種新型逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)

近年來光伏發(fā)電在各國的普及和應(yīng)用取得可觀的進(jìn)展。作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對于光伏系統(tǒng)的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。本文在簡要回顧了太陽能市場近年來的發(fā)展之后，著重分析了逆變器">太陽能逆變器的設(shè)計(jì)需要并由此闡述了功率半導(dǎo)體器件與電路拓?fù)浞矫娴膬?yōu)選原則。

隨著對綠色能源不斷增長的需求， 太陽能發(fā)電近年來的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關(guān)注。這樣的高增長率預(yù)測是基于以下幾個因素：目前過剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)將光伏系統(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五;光伏系統(tǒng)的安裝價(jià)格在持續(xù)下降;世界范圍內(nèi)各國與地區(qū)的政府補(bǔ)貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補(bǔ)貼扶持政策陸續(xù)推出。如其中最具影響的金太陽工程――提出對光伏并網(wǎng)項(xiàng)目和無電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目分別給予50%及70%的財(cái)政補(bǔ)貼。

電力電子的設(shè)計(jì)對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。由于光電轉(zhuǎn)換板的效率很低，通常不超過百分之二十，因此太陽能逆變器的轉(zhuǎn)換效率對于減小太陽能板總面積和系統(tǒng)總體積就至關(guān)重要。除此之外，在電能轉(zhuǎn)換過程的功率損耗直接導(dǎo)致了半導(dǎo)體晶圓的溫度升高，所以要通過散熱器有效耗散這部分損耗能量。器件工作時(shí)的溫升和熱應(yīng)力是影響可靠性的重要參數(shù)，換言之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源，還提高了系統(tǒng)可靠性，縮減了系統(tǒng)體積和成本。

電路拓?fù)?/p>

要把太陽能轉(zhuǎn)換板輸出的“粗電”(波動的直流電壓)變成恒定可靠的正弦波交流市電，實(shí)現(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。有些時(shí)候也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。所以越來越多的廠商在開發(fā)或評估單級變換的架構(gòu)，即使這樣會面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，HERIC 和多電平結(jié)構(gòu)吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓?fù)湫问?，特別是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。

圖 1： HERIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖 2 ：三電平鉗位二極管拓?fù)洹?/p>

如圖1所示，HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上新增加了一對二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，對于器件速度沒有特殊需求。在應(yīng)用了適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦?，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個系統(tǒng)的效率。

三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關(guān)注的一種新型太陽能逆變電路拓?fù)?，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽能發(fā)電應(yīng)用中。圖2所示的三相三電平電路的每個橋臂由4只帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)串聯(lián)而成，另外每相有一個二極管相臂跨接在主開關(guān)之間，且其中點(diǎn)和直流母線的中性點(diǎn)直接連通。這個二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時(shí)，每個主開關(guān)器件所受最大電壓應(yīng)力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三電平輸出具有低次諧波小(交流輸出更接近正弦)，電磁噪聲水平低，所需開關(guān)器件的電壓耐量低和級數(shù)可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在太陽能并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。體現(xiàn)在三個方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件的價(jià)格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電平電路的器件成本更低;其次，輸出電壓的諧波小，所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小，從而降低了濾波設(shè)備成本;最后，由于開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調(diào)制方式下，三電平的部分主開關(guān)可以在低頻下開關(guān)，就可以采用相對經(jīng)濟(jì)的開關(guān)器件。

電力電子器件的常用種類和選型原則

用于廣義的太陽能逆變器(含輸入直流斬波級)的功率半導(dǎo)體器件主要有MOSFE是一種金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。 IGBT， Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價(jià)格便宜并適用于大電流的應(yīng)用場合。超結(jié)MOSFET介于兩者之間，是一種性能價(jià)格折中的產(chǎn)品，在實(shí)際設(shè)計(jì)中被廣為應(yīng)用。為了幫助設(shè)計(jì)人員量化的分析效率和器件成本之間的關(guān)系，表一羅列了三種半導(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗和價(jià)格因素，為了便于比較，各參數(shù)均以MOSFET情況作歸一化處理。

表1 常用開關(guān)器件的性能與價(jià)格對照表 (所有數(shù)字以MOSFET情況歸一化)

除去以上最典型的三類全控開關(guān)器件，業(yè)界還存在像碳化硅二極管和ESBT? 等基于新材料和新工藝的產(chǎn)品。它們目前的價(jià)格還比較高，主要應(yīng)用于對太陽能發(fā)電效率有特殊要求的場合。但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和器件單價(jià)的下降，這類器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a(chǎn)品，甚至替代上述的某一類器件。

工業(yè)界的最新產(chǎn)品

由于太陽能發(fā)電市場的龐大規(guī)模與發(fā)展?jié)摿?，世界各大半?dǎo)體生產(chǎn)廠商都競相推出自己的產(chǎn)品追逐市場。近幾年來，各種針對太陽能功率變換的新器件和新技術(shù)層出不窮。在如火如荼的市場競爭中，美高森美(microsemi)的太陽能系列產(chǎn)品以其先進(jìn)工藝和應(yīng)用技術(shù)而獨(dú)樹一幟。

混合器有多種，各自定義都有不同，但是按詞意是指把兩種不同的物品混合在一起的工具就叫做混合器。電視信號混合器將兩套以上的不同頻率的射頻信號混合在一起形成一路寬帶的射頻信號多頻道節(jié)目輸出的器件為混合器。電視信號混合器是為有線電視多頻道的鄰頻前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專用混頻設(shè)備，電路結(jié)構(gòu)采用傳輸變壓器式耦合方式，用于1000MHz鄰頻寬帶傳輸系統(tǒng)，關(guān)鍵磁性材料采用原裝進(jìn)口，諧波輸出低，反射損耗大，駐波小，相互隔離度高，插入損耗低，輸入頻帶寬，16路信號輸入，混合成1路信號輸出，1路信號監(jiān)測，每一路指標(biāo)都相同，輸入頻道互換性好，19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，便于安裝，廣泛應(yīng)用于各類有線電視系統(tǒng)，衛(wèi)星電視系統(tǒng)，小區(qū)閉路電視、監(jiān)控系統(tǒng)，賓館、酒店、部隊(duì)、學(xué)校教育視聽系統(tǒng)等，能很好的滿足大、中型有線電視系統(tǒng)的配置要求。[!--empirenews.page--]

單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

圖3所示的混合單相全橋功率模塊是專用于太陽能單相逆變的產(chǎn)品。配合以單極型調(diào)制方法，每個橋臂的兩只開關(guān)管分別工作在完全相異開關(guān)頻率范圍。以圖示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調(diào)制頻率下動作。根據(jù)這種工作特點(diǎn)，上管總是選用相對便宜的門極溝道型 IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。而下管可選擇非穿通型(NPT) IGBT以減少開關(guān)損耗。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但保障了最高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率還降低了整個逆變設(shè)備的成本。圖4給出了不同器件搭配的轉(zhuǎn)換效率曲線以印證這種太陽能功率模塊的優(yōu)越性?？梢园l(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負(fù)載下能實(shí)現(xiàn)98%以上的轉(zhuǎn)換效率。

圖3 ：混合器件太陽能逆變模塊。

圖4 ：不同器件搭配的逆變器效率對比。

在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件的機(jī)制。其主旨在于充分利用兩端器件開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于中間相鄰兩器件。因而APTCV60 系列三電平模塊使用兩頭超結(jié)MOSFET中間Trench IGBT的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高效率。

ESBT

ESBT 是應(yīng)用于太陽能的一種新型高電壓快速開關(guān)器件，它兼顧了IGBT 和MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，不僅電壓耐量高于MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市場的ESBT 太陽能升壓斬波器模塊集成了碳化硅二極管和ESBT， 面向5千瓦至20千瓦的超高效率升壓應(yīng)用。其電壓耐量為1200V， 集電極和射極間飽和通態(tài)電壓很低 (接近1V)，優(yōu)化開關(guān)頻率在30千赫至40千赫之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。實(shí)驗(yàn)表明，這種功率模塊比目前市場上對應(yīng)的IGBT模塊減少40% 的損耗。根據(jù)6千瓦的參考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此模塊在50%至滿負(fù)載之間，轉(zhuǎn)換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個百分點(diǎn)。

圖5 ： ESBT 升壓斬波模塊。

旁路二極管

為防止太陽能電池在強(qiáng)光下由于遮擋造成其中一些因?yàn)榈貌坏焦庹斩蔀樨?fù)載產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)熱受損，因此在太陽能電池組件輸出端的兩極并聯(lián)旁路二極管。一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽電池組件此時(shí)會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽電池。有光照的太陽電池所產(chǎn)生的部分能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被受遮蔽的組件所消耗。

太陽能逆變器是太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)：電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成，逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成;太陽能 太陽能逆變器直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變。逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。

位于太陽能逆變器前端的旁路二極管，嚴(yán)格來說雖然不屬于逆變部分，但是作為太陽能發(fā)電設(shè)備的一部分，對于逆變器運(yùn)行乃至整個系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對此應(yīng)用推出兩款新產(chǎn)品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技術(shù)—CoolRUNTM工藝，無需散熱器，通過10A電流時(shí)溫升小于10?C。 以30年穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)的可靠性設(shè)計(jì)保證了100uA以下漏電流，20A 的穩(wěn)態(tài)電流能力，和雙向抗閃電功能。其最大特點(diǎn)是業(yè)界最低溫升。SFDS1045是新一代肖特基二極管，也是迄今為止業(yè)界最薄的旁路二極管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封裝之下，特別適合直接應(yīng)用于太陽能板。

結(jié)論

提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能逆變器設(shè)計(jì)的長期課題，也是工程設(shè)計(jì)人員面臨的最大挑戰(zhàn)。本文以如何設(shè)計(jì)優(yōu)化的新一代太陽能功率變換系統(tǒng)出發(fā)，討論了集中式太陽能逆變器的設(shè)計(jì)原則，典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)器件的選型方法。闡述了設(shè)計(jì)工程師如何運(yùn)用器件，電路與系統(tǒng)各個層次上的新技術(shù)優(yōu)化逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。實(shí)踐證明，美高森美的多個相關(guān)新產(chǎn)品能夠從多個方面優(yōu)化系統(tǒng)性能，為太陽能逆變器市場提供了高效，可靠，經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)解決方案。