基于提高太陽能逆變器的轉換效率的解決方案

I.　引言/摘要

由于對可再生能源的需求，太陽能逆變器 (光電逆變器) 的市場正在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。本文對這些逆變器中采用的功率電路進行了考察，并推薦了針對開關和整流器件的最佳選擇。

光電逆變器的一般結構如圖1所示，有三種不同的逆變器可供選擇。太陽光照射在通過串聯方式連接的太陽能模塊上，每一個模塊都包含了一組串聯的太陽能電池 (Solar Cell)單元。太陽能模塊產生的直流 (DC) 電壓在幾百伏的數量級，具體數值根據模塊陣列的光照條件、電池的溫度及串聯模塊的數量而定。

這類逆變器的首要功能是把輸入的 DC電壓轉換為一穩定的值。該功能通過升壓轉換器來實現，并需要升壓開關和升壓二極管。

在第一種結構中，升壓級之后是一個隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個全橋變換器是用來從第一級的全橋變換器的直流DC變換成交流 (AC) 電壓。其輸出再經由額外的雙觸點繼電器開關連接到AC電網網絡之前被濾波，目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網隔離。

第二種結構是非隔離方案。其中，AC交流電壓由升壓級輸出的DC電壓直接產生。

第三種結構利用功率開關和功率二極管的創新型拓撲結構，把升壓和AC交流產生部分的功能整合在一個專用拓撲中。

圖1：太陽能逆變器系統原理示意圖

盡管太陽能電池板的轉換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。在德國，安裝在朝南屋頂上的3kW串聯模塊預計每年可發電 2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發電25kWh。而利用額外的太陽能模塊產生這25kWh的費用與增加一個逆變器相當。由于效率從95% 提高到 96% 不會使到逆變器的成本加倍，故對更高效的逆變器進行投資是必然的選擇。對新興設計而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關鍵的設計準則。

至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設計準則。更高的效率可以降低負載周期上的溫度波動，從而提高可靠性，因此，這些準則實際上是相關聯的。模塊的使用也會提高可靠性。

圖1所示的所有拓撲都需要快速轉換的功率開關。升壓級和全橋變換級需要快速轉換二極管。此外，專門為低頻 (100Hz) 轉換而優化的開關對這些拓撲也很有用處。對于任何特定的硅技術，針對快速轉換優化的開關比針對低頻轉換應用優化的開關具有更高的導通損耗。
II.用于升壓級的開關和二極管

升壓級一般設計為連續電流模式轉換器。根據逆變器所采用的陣列中太陽能模塊的數量，來選者使用600V還是1200V的器件。