光伏逆變器系統設計從系統目標到解決方案，一次性講透

爆款干貨資料光伏逆變器系統設計指南持續上新，第一篇文章我們介紹了系統目標、市場趨勢、系統實現、系統描述。本文將重點介紹解決方案。

系統框圖 - 光伏逆變器

微型逆變器

簡化的微型逆變器功率轉換級

功率 MOSFET， 80V， SO8FL 封裝， T10

特性

● VDSS = 80V， ID = 253A， RDS(ON) = 1.43 mΩ

● 低 QRR = 224nC

● 最新的屏蔽柵極架構

● 低 QG 以最小化驅動損耗

應用

● 隔離式 DC-DC 轉換器中的初級開關

● 電機驅動

功率 MOSFET， 150V， PQFN-8 封裝

特性

● VDSS = 150V， ID = 31A， RDS(ON) = 31 mΩ

● 小巧的外形尺寸（5 x 6 mm），適用于緊湊設計

● 低 QG 以最小化驅動損耗

應用

● 隔離式 DC-DC 轉換器中的初級開關

● 開關電源

解決方案概述

組串逆變器 - DC-DC 升壓級

兩電平單升壓

● 最簡電路且最易控制

● 低物料清單成本，低故障率

● 正常效率

● 適中的尺寸和電磁干擾（EMI）

● 滿足全電壓要求的功率元件

三電平對稱升壓

● 降低電感器、 MOSFET/IGBT、二極管的應力 .

● 減小電感器尺寸和重量

● 電路簡單，易于控制

● 效率高

● 諧波質量更好， dv/dt 更低

● 目標 - 當前大多數客戶的三相 1100 V/1500 V 項目

三電平飛跨電容升壓

● 僅 1 個電感器，雙倍電感器頻率，尺寸更小

● 共地簡化了設計（包括 EMI 電感器、 Y 型電容器、連接器和導線、電位誘導衰減電路 PID）

● 額外的飛跨電容和啟動電路

● 三種方案中效率最高

● 諧波質量更好， dv/dt 更低

● 目標 - 三相大于 1500 V， 效率要求更高

3 通道飛跨電容升壓型 SiC 混合功率集成模塊（PIM）

特性

● 1000 V 低 VCE(SAT)快速開關 IGBT 和 1200 V 碳化硅二極管

● 模塊具有低熱阻抗基板

● 提供焊接引腳和壓接引腳選項

● 內置 NTC 熱敏電阻

優點

● 易于模塊安裝，更高的輸出功率

● 靈活支持不同制造工藝

● 卓越的效率，熱損耗低。與 1200 V IGBT 解決方案相比，具有更高的輸出功率

應用

● 1500 V 分散式公用事業規模光伏逆變器

NXH600B100H4Q2F2 原理圖

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飛跨電容升壓轉換器的特性

● 只需一個電感器，電流更小

● 開關頻率降低，可考慮使用 IGBT

● 首選碳化硅升壓二極管，以節省損耗

● 三電平拓撲結構帶來的主要優勢

組串式逆變器 - DC-AC 逆變器功率級

HERIC/H6.5

● 廣泛應用于單相光伏逆變器設計中

● 電路和控制較復雜

● 三電平拓撲比半橋結構效率更高    

● 6 個開關 (6*Vd)， 5 個二極管（比 HERIC 少 1 個） .    

● 移除變壓器時，可減小共模漏電流

● 目標功率等級 < 10 kW    

三電平 T-NPC 拓撲

● 電路簡單，易于控制，應用廣泛

● 只需垂直開關即可獲得滿電壓

● 三電平拓撲結構效率更高，開關損耗低

● 諧波質量更好， dv/dt 更低

● 目標 - 輸出功率為 20 kW~100 kW 的 3 相、 1100 V 系統

組串式逆變器 - DC-AC 逆變器功率級

三電平 I-NPC 拓撲

● 電路簡單，易于控制，應用廣泛

● 開關電壓減半

● 采用三電平拓撲結構，效率更高

● 諧波質量更好， dv/dt 更低

● 損耗不平衡

● 目標 - 輸出功率為 40 kW~220 kW 的高達 1500 V 系統

三電平 A-NPC 拓撲

● 電路復雜且控制復雜

● 開關上電壓減半

● 采用三電平拓撲結構實現高效率

● 諧波質量更好， dv/dt 更低，電感更小

● 靈活的換流支路選擇

● 目標 - 輸出功率大于 200 kW、電壓高達 1500 V 的系統

當 PF=1 時 I-NPC 的功率損耗分布

A-NPC 與 I-NPC 比較

幾十年來， I-NPC 已被改進為大功率光伏逆變器系統的理想選擇。然而，隨著系統演進要求的不斷提高， INPC 的損耗平衡問題變得至關重要。在 PF=-1 和小調制指數（M=0.05）的情況下，內部 IGBT 是整流器工作模式中應力最大的器件。當 PF=1 和 M=0.95 時，外部 IGBT 是逆變器工作模式下應力最大的器件。介于兩者之間的所有工作點都不太重要。因此，我們提出了 A-NPC 方案，用帶有兩個反并聯二極管的 IGBT取代兩個箝位二極管。通過這種方法，換流支路變得更加靈活，優化了損耗/熱分布，最終提高了輸出功率和效率。

三電平 A-NPC 功率集成模塊， Q2 封裝

特性

● VCE = 1000 V， ICE = 800 A，場截止第四代 IGBT

● 提供高功率密度的模塊設計

低電感布局

● 內置 NTC 熱敏電阻

● 提供焊接引腳和壓接引腳選項

優點：

● 平衡損耗和散熱

● 靈活的換流支路選擇

應用：

● 1500 V 分布式公用事業級光伏逆變器

EliteSiC， 1200 V MOSFET， M3S 系列：

● 新型 1200 V M3S 平面碳化硅 MOSFET 系列

● 針對高溫運行進行了優化

● 改善寄生電容，適合高頻運行

● RDS(ON) =22 mΩ @VGS =18 V*

● 超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC*

● 高速開關，具有低電容特性(COSS =146 pF)*

● 提供開爾文源極連接*

場截止第七代， IGBT， 1200 V

● 新型 1200V 溝槽型場截止第七代 IGBT 系列

● 溝槽窄臺面與質子注入多重緩沖技術

● 提供快速開關與低飽和壓降 VCE(SAT)類型

● 改進寄生電容，適用于高頻運行

● 通用封裝

● 目標應用 - 能源基礎設施、工廠自動化

半橋全 SiC 集成功率模塊

● 2 × 1200 V 碳化硅 MOSFET， RDS（ON） = 10 mΩ

● 低熱阻

● 內置 NTC 熱敏電阻

● 在更高電壓下改善了 RDS(ON)

● 更高效、更高功率密度

● 靈活的高可靠性熱接口解決方案

*NTH4L022N120M3S 主要特性

如何選擇柵極驅動器？

電流驅動能力：開關的導通和關斷實際上是輸入輸出電容器的充放電過程。更高的灌電流和拉電流能力意味著更快的導通和關斷速度，最終帶來更小的開關損耗。

故障檢測：柵極驅動器不僅用于驅動開關，還能保護開關甚至整個系統。例如，欠壓鎖定（UVLO）可確保柵極驅動器的電源處于良好狀態，去飽和（DESAT）用于檢測短路，有源米勒箝位可防止在快速開關系統中出現誤導通。閱讀 AND9949 - NCD(V)57000/57001 柵極驅動器設計筆記，了解保護功能。

抗擾性：共模瞬態抗擾度（CMTI）是指柵極驅動器輸入和輸出電路之間共模電壓上升或下降的最大容許速率，它決定了該產品是否可用于快速開關系統。大功率系統以非?？斓淖兓蔬\行，例如大于 100 V/ns 時會產生非常大的電壓瞬變。隔離柵極驅動器需要能夠承受高于額定電平的 CMTI，以防止低壓電路側產生噪聲，并防止隔離勢壘失效。

傳播延遲：傳播延遲是指從輸入 10%到輸出 90%的時間延遲（供應商之間可能有所不同）。這種延遲會影響器件之間的開關時序，這在高頻應用中至關重要。設置死區時間可以避免擊穿乃至進一步損壞，死區時
間設置得越少，開關損耗就會越小。

兼容性：在新項目中，如果沒有重大設計變更，引腳對引腳的替換總是首選。選擇規格和封裝相似的柵極驅動器有利于快速設計。

當然，并非每一點都需要遵循。例如，與 IGBT 不同， 碳化硅 MOSFET 的輸出特性更像可變電阻，沒有飽和區，這意味著普通的去飽和檢測原理行不通。作為解決方案之一，通常使用電流傳感器來檢測過流，或使用溫度傳感器來檢測異常溫度。

NCP51561 碳化硅（SiC）隔離柵極驅動器

● 4.5 A/9 A 峰值拉/灌電流

● 36 ns 傳播延遲， 8 ns 最大延遲匹配

● 5 kV 電隔離， CMTI≥200 V/ns

● 雙通道設計

● 8 毫米爬電距離的 SOIC-16WB 封裝

NCD57080 隔離型大電流柵極驅動器

● 高電流峰值輸出（6.5 A/6.5 A）欠壓鎖定（UVLO） ， 有源米勒箝位

● 3.5 kV 電隔離， CMTI≥100 V/ns

● 典型 60 ns 傳播延遲單通道設計

● 8 毫米爬電距離的 SOIC-8WB 封裝

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