一種新型逆變器優(yōu)化光伏系統

近年來(lái)光伏發(fā)電在各國的普及和應用取得可觀(guān)的進(jìn)展。作為電能轉換的關(guān)鍵環(huán)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(jiǎn)要回顧了太陽(yáng)能市場(chǎng)近年來(lái)的發(fā)展之后，著(zhù)重分析了逆變器>太陽(yáng)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(yōu)選原則。

隨著(zhù)對綠色能源不斷增長(cháng)的需求， 太陽(yáng)能發(fā)電近年來(lái)的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關(guān)注。這樣的高增長(cháng)率預測是基于以下幾個(gè)因素：目前過(guò)剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)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(jià)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(yáng)能資源非常豐富，近期來(lái)國家的補貼扶持政策陸續推出。如其中最具影響的金太陽(yáng)工程DD提出對光伏并網(wǎng)項目和無(wú)電地區離網(wǎng)光伏發(fā)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(yáng)能發(fā)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(guò)百分之二十，因此太陽(yáng)能逆變器的轉換效率對于減小太陽(yáng)能板總面積和系統總體積就至關(guān)重要。除此之外，在電能轉換過(guò)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(guò)散熱器有效耗散這部分損耗能量。器件工作時(shí)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(yáng)能轉換板輸出的“粗電”(波動(dòng)的直流電壓)變成恒定可靠的正弦波交流市電，實(shí)現方式通常分為兩種構架：?jiǎn)渭壸儞Q和兩級變換，也稱(chēng)為無(wú)直流斬波和有直流斬波式。有些時(shí)候也利于電力半導體器件的選取和系統成本優(yōu)化。所以越來(lái)越多的廠(chǎng)商在開(kāi)發(fā)或評估單級變換的架構，即使這樣會(huì )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(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓撲形式，特別是在和電網(wǎng)相聯(lián)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(lián)開(kāi)關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開(kāi)關(guān)器件以工頻周波速度開(kāi)關(guān)，對于器件速度沒(méi)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(wú)功功率，從而提高整個(gè)系統的效率。

三電平二極管鉗位逆變器是近來(lái)受到特別關(guān)注的一種新型太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電應用中。圖2所示的三相三電平電路的每個(gè)橋臂由4只帶反并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)串聯(lián)而成，另外每相有一個(gè)二極管相臂跨接在主開(kāi)關(guān)之間，且其中點(diǎn)和直流母線(xiàn)的中性點(diǎn)直接連通。這個(gè)二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時(shí)，每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件所受最大電壓應力為母線(xiàn)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(kāi)關(guān)器件的電壓耐量低和級數可擴展等優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，尤其適用于三相大功率高電壓的場(chǎng)合。體現在三個(gè)方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導體開(kāi)關(guān)器件的價(jià)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(kāi)管數量的增多，即使在脈寬調制方式下，三電平的部分主開(kāi)關(guān)可以在低頻下開(kāi)關(guān)，就可以采用相對經(jīng)濟的開(kāi)關(guān)器件。

電力電子器件的常用種類(lèi)和選型原則

用于廣義的太陽(yáng)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(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)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(chǎng)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(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價(jià)格便宜并適用于大電流的應用場(chǎng)合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價(jià)格折中的產(chǎn)品，在實(shí)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(guān)系，表一羅列了三種半導體開(kāi)關(guān)器件的功率損耗和價(jià)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(kāi)關(guān)器件的性能與價(jià)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(lèi)全控開(kāi)關(guān)器件，業(yè)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(chǎn)品。它們目前的價(jià)格還比較高，主要應用于對太陽(yáng)能發(fā)電效率有特殊要求的場(chǎng)合。但隨著(zhù)生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和器件單價(jià)的下降，這類(lèi)器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a(chǎn)品，甚至替代上述的某一類(lèi)器件。

工業(yè)界的最新產(chǎn)品

由于太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)的龐大規模與發(fā)展潛力，世界各大半導體生產(chǎn)廠(chǎng)商都競相推出自己的產(chǎn)品追逐市場(chǎng)。近幾年來(lái)，各種針對太陽(yáng)能功率變換的新器件和新技術(shù)層出不窮。在如火如荼的市場(chǎng)競爭中，美高森美(microsemi)的太陽(yáng)能系列產(chǎn)品以其先進(jìn)工藝和應用技術(shù)而獨樹(shù)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(xiàn)電視多頻道的鄰頻前端系統設計的專(zhuān)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(guān)鍵磁性材料采用原裝進(jìn)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(lèi)有線(xiàn)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(xué)校教育視聽(tīng)系統等，能很好的滿(mǎn)足大、中型有線(xiàn)電視系統的配置要求。