一種新型逆變器優化光伏系統

近年來光伏發電在各國的普及和應用取得可觀的進展。作為電能轉換的關鍵環節，電力電子變換器對于光伏系統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展之后，著重分析了逆變器>太陽能逆變器的設計需要并由此闡述了功率半導體器件與電路拓撲方面的優選原則。

隨著對綠色能源不斷增長的需求， 太陽能發電近年來的迅猛發展引起了各方面的廣泛關注。這樣的高增長率預測是基于以下幾個因素：目前過剩的生產能力已經將光伏系統的平均制造成本削減了百分之二十五;光伏系統的安裝價格在持續下降;世界范圍內各國與地區的政府補貼。中國太陽能資源非常豐富，近期來國家的補貼扶持政策陸續推出。如其中最具影響的金太陽工程DD提出對光伏并網項目和無電地區離網光伏發電項目分別給予50%及70%的財政補貼。

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

電路拓撲

要把太陽能轉換板輸出的“粗電”(波動的直流電壓)變成恒定可靠的正弦波交流市電，實現方式通常分為兩種構架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。有些時候也利于電力半導體器件的選取和系統成本優化。所以越來越多的廠商在開發或評估單級變換的架構，即使這樣會面臨更復雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓撲結構中，HERIC 和多電平結構吸引了業界更多的關注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網相聯的情況下。

圖 1： HERIC 拓撲結構

圖 2 ：三電平鉗位二極管拓撲。

如圖1所示，HERIC逆變器的結構是在傳統的單相逆變全橋基礎上新增加了一對二極管串聯開關反并聯作為輸出。新增電路中的開關器件以工頻周波速度開關，對于器件速度沒有特殊需求。在應用了適當的相位控制之后，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高整個系統的效率。

三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關注的一種新型太陽能逆變電路拓撲，它已被成功地使用在高電壓的集中式太陽能發電應用中。圖2所示的三相三電平電路的每個橋臂由4只帶反并聯二極管的開關串聯而成，另外每相有一個二極管相臂跨接在主開關之間，且其中點和直流母線的中性點直接連通。這個二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時，每個主開關器件所受最大電壓應力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓撲結構，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，所需開關器件的電壓耐量低和級數可擴展等優點。在太陽能并網發電時，尤其適用于三相大功率高電壓的場合。體現在三個方面：首先，實踐證明，高壓半導體開關器件的價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，從而降低了濾波設備成本;最后，由于開管數量的增多，即使在脈寬調制方式下，三電平的部分主開關可以在低頻下開關，就可以采用相對經濟的開關器件。

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)的功率半導體器件主要有MOSFE是一種金屬-氧化層-半導體-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則開關速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價格便宜并適用于大電流的應用場合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產品，在實際設計中被廣為應用。為了幫助設計人員量化的分析效率和器件成本之間的關系，表一羅列了三種半導體開關器件的功率損耗和價格因素，為了便于比較，各參數均以MOSFET情況作歸一化處理。

表1 常用開關器件的性能與價格對照表 (所有數字以MOSFET情況歸一化)

除去以上最典型的三類全控開關器件，業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品。它們目前的價格還比較高，主要應用于對太陽能發電效率有特殊要求的場合。但隨著生產工藝的不斷進步和器件單價的下降，這類器件也將逐步變為主流產品，甚至替代上述的某一類器件。

工業界的最新產品

由于太陽能發電市場的龐大規模與發展潛力，世界各大半導體生產廠商都競相推出自己的產品追逐市場。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)的太陽能系列產品以其先進工藝和應用技術而獨樹一幟。

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設計的專用混頻設備，電路結構采用傳輸變壓器式耦合方式，用于1000MHz鄰頻寬帶傳輸系統，關鍵磁性材料采用原裝進口，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路信號監測，每一路指標都相同，輸入頻道互換性好，19英寸標準機箱，便于安裝，廣泛應用于各類有線電視系統，衛星電視系統，小區閉路電視、監控系統，賓館、酒店、部隊、學校教育視聽系統等，能很好的滿足大、中型有線電視系統的配置要求。