掌握這份技術白皮書，光伏逆變器設計穩了！

太陽能和風能等可再生能源是降低碳排放的最有效方法之一。與風能不同， 光伏逆變器被廣泛應用于多種用途。如今，結合儲能系統，人們可以控制和儲存這些免費能源。光伏逆變器的核心是大功率轉換級、DCDC 升壓轉換器和 DC-AC 逆變器。隨著功率開關的發展和終端產品產生的新需求，許多新的拓撲結構應運而生。學習和了解這些拓撲結構以及常用的產品，有助于對整個系統深入理解和快速設計。本指南全面介紹了太陽能逆變器設計方法，本文為第一篇，將介紹系統目標、市場趨勢、系統實現、系統描述。

系統目標

隨著文明的不斷發展和人口密度的不斷增加，二氧化碳排放的增長率開始變得難以控制。碳排放導致的全球變暖將引發氣候惡化，不可避免地危害我們的家園。因此，作為一種解決方案，我們需要使用清潔能源，如風能和太陽能。

太陽能帶來的主要優勢在于，只要安裝了光伏逆變器系統，它就是一種 "免費"能源。這一過程環保無污染，因為它不產生任何排放，而且它依賴于豐富且可持續的能源——太陽。使用太陽能有助于應對氣候變化，減少對化石燃料的依賴，并提供可靠的能源來源。此外，它還能降低電費，從而為個人和企業節省長期成本。

光伏逆變器有多種類型，其類型（集中式、組串式、微型）或終端應用（住宅、商業、大型電站）各不相同。目前，組串式逆變器（string inverter）是最受歡迎的類型，因為它具有靈活且易于安裝的特點。隨著功率器件的不斷更新換代，單套逆變器的功率等級/功率密度不斷提高，而單價和體積卻越來越小，這使其成為光伏逆變器市場的主流。

集中式光伏逆變器通常安裝在大型光伏電站中，具有超高容量。但是，由于安裝位置的限制，近年來， 組串式光伏逆變器的新增總容量已經超過了集中式光伏逆變器。微型光伏逆變器主要用于住宅發電，同時也廣泛應用于路燈和交通燈等城市基礎設施的供電。

市場信息與展望

● 碳化硅替代方案

碳化硅（SiC）器件在當前的趨勢下能夠提供更高的效率。與傳統的硅基 MOSFET/IGBT 相比，碳化硅器件在高電壓應用中更為適用。高電壓器件可簡化拓撲結構，無需使用多電平轉換器。SiC 逆變器解決方案的損耗低于 IGBT 解決方案。 SiC MOSFET 的開關速度也更快，因此可以縮小無源器件（尤其是電感器）的尺寸。這兩個因素提高了功率密度，使相同尺寸和重量的設備具有更高的功率。不過， 需要在成本和性能之間進行權衡，了解實際要求以決定最合適的解決方案。

● IGBT 與碳化硅二極管

SiC 二極管的替代正變得越來越普遍，尤其是在 DC-DC 階段，因為其成本越來越低廉，無需對電路設計進行大的改動，最重要的是，系統性能得到了很好的改善。此外， 提高頻率還能減小無源器件的尺寸。

在大功率產品（> 200 kW）中， IGBT 是首選，因為 IGBT 在處理大電流時具有良好的性能。而且系統不需要很高的工作開關速率，這意味著較慢的 IGBT 關斷速度不會帶來太多問題。另一方面，完整的 SiC 系統需要全新的系統設計，成本很高。例如，基于 IGBT 的轉換器的驅動電路與基于 SiC 的系統不兼容。還需要考慮新的保護方法，因為 SiC 元件的短路耐受時間（SCWT）比 IGBT 短。

● 更高的母線電壓

隨著大功率需求的不斷增長，由于電流更低，采用 1500V 替代 1100V 組串式逆變器可以降低給定功率下的互連成本。為了滿足這種趨勢，已經開發出了更高電壓的開關。無論是使用高壓開關還是多電平拓撲結構，都可以顯著提高光伏逆變器的運行功率。請參見 1500V 逆變器和 1100V 逆變器的比較。

● 兩電平拓撲的回歸？

正如前文所述，三電平光伏逆變器因其優化了電磁干擾性能、開關損耗和電感上的電流紋波，通常是大功率光伏逆變器的首選。然而，它也給 PCB 設計和開關方案帶來了挑戰。隨著碳化硅技術的發展，最大工作電壓≥2000 V 的功率模塊和功率分立器件已被開發出來并且正式發布，但距離量產仍有差距（對其他元件/附件的要求相應增加） 。而兩電平 1500 V 系統將大大降低設計和控制的復雜性，并減小最終產品的尺寸。

● 混合型光伏逆變器

免費的太陽能固然很好，能夠控制并利用這種免費能源則更好！混合光伏逆變器是一種新的產品系列，通常用于住宅。它將一個額外的 DC-DC 轉換器耦合在光伏逆變器的母線上。這個額外的 DC-DC 轉換器會與電池組相連，以提供備用能源或進行能源套利。這個新系統被整合進一個與經典家用太陽能逆變器外觀相似的機箱內。

系統實現

系統描述

● 系統組件和功能

組串逆變器系統的主要組件包括太陽能電池板陣列、直流鏈路電容器和逆變器（DC/AC 轉換器）。光伏組串和直流鏈路之間通常使用 DC-DC 升壓級。這些系統有兩個主要功能 1) 將光伏組串的輸出電壓提升至直流鏈路工作電平。2) 實現 MPPT（最大功率點跟蹤）功能， 以在不同的環境和光照條件下最大化光伏組串的發電量。在光伏組串達到直流鏈路工作電壓電平的情況下， DC/DC 轉換器會被旁路（通過低正向壓降 VF二極管），以實現效率最大化。

● 功率和電壓電平

逆變器功率級有單相和三相兩種配置。單相系統的額定功率從 1 kW 以下到 10 kW（取決于地區），直流鏈路電壓電平通常在 300 V 至 600 V 之間。三相系統的功率范圍很廣，從輕型商業應用中的 15 kW 到公用事業應用中的 300 kW 以上。直流鏈路的工作電壓通常為 1100 V（住宅、商業和公用事業）或 1500 V（商業和公用事業）。

● 拓撲結構

在廣泛的功率電平和電壓范圍內， 具有不同的功率半導體解決方案。采用 IGBT、 SiC MOSFET 或 SiC/Hybrid的功率集成模塊 (PIM) 通常是較大功率的首選解決方案。要處理高母線電壓系統，必須考慮多電平。請參閱 AND90142 - 解讀三相功率因數校正拓撲，了解三電平和三電平 PFC 電路示例，該方法同樣適用于逆變器部分。兩電平系統在系統復雜性和控制復雜性方面具有優勢，但對功率開關的要求更高。

● 分立器件與功率模塊的對比

影響客戶決策的因素有很多，但對于大功率產品，尤其是并聯多個 MOSFET/IGBT 分立器件時，強烈建議采用模塊解決方案。模塊方案將改善不平衡電流和發熱引起的長期性能，以及開關時序、布線連接等方面的問題。