一種新型逆變器優(yōu)化光伏系統(tǒng)

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(yáng)能單相逆變的產(chǎn)品。配合以單極型調(diào)制方法，每個(gè)橋臂的兩只開(kāi)關(guān)管分別工作在完全相異開(kāi)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(dòng)作。根據(jù)這種工作特點(diǎn)，上管總是選用相對(duì)便宜的門(mén)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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)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(dòng)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(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。而下管可選擇非穿通型(NPT) IGBT以減少開(kāi)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(gè)逆變?cè)O(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(yáng)能功率模塊的優(yōu)越性。可以發(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(yáng)能逆變模塊。

圖4 ：不同器件搭配的逆變器效率對(duì)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(kāi)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(yáng)能的一種新型高電壓快速開(kāi)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I(mǎi)GBT器件。美高森美即將推向市場(chǎng)的ESBT 太陽(yáng)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(kāi)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(chǎng)上對(duì)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(gè)百分點(diǎn)。

圖5 ： ESBT 升壓斬波模塊。

旁路二極管

為防止太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽(yáng)電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽(yáng)電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能?chē)?yán)重的破壞太陽(yáng)電池。有光照的太陽(yáng)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(yáng)電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，最好在太陽(yáng)電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)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(yáng)能逆變器是太陽(yáng)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(lì)方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。太陽(yáng)能交流發(fā)電系統(tǒng)是由陽(yáng)能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成;太陽(yáng)能 太陽(yáng)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(lì)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(guò)全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過(guò)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(yáng)能逆變器前端的旁路二極管，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)雖然不屬于逆變部分，但是作為太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的一部分，對(duì)于逆變器運(yùn)行乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對(duì)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(wú)需散熱器，通過(guò)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(yáng)能板。

結(jié)論

提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)的長(zhǎng)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(yáng)能功率變換系統(tǒng)出發(fā)，討論了集中式太陽(yáng)能逆變器的設(shè)計(jì)原則，典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開(kāi)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(gè)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(gè)相關(guān)新產(chǎn)品能夠從多個(gè)方面優(yōu)化系統(tǒng)性能，為太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)提供了高效，可靠，經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)解決方案。