太陽(yáng)能逆變電源基本設計要點(diǎn)與方法總結

應用來(lái)說(shuō)，選擇IGBT更為適合而且具備更低成本優(yōu)勢。另一方面，MOSFET有能力滿(mǎn)足高頻、小電流應用，特別是那些開(kāi)關(guān)頻率在100kHz以上的能量逆變器模塊的需要。雖然從器件成本角度看，MOSFET比IGBT貴，但其處理更高開(kāi)關(guān)頻率的能力將簡(jiǎn)化輸出濾波器的磁設計并將顯著(zhù)縮小輸出電感體積。

　　基于上述原因，更多的制造商因此傾向于在中高水平的能量逆變器中采用IGBT。而據Microsemi的錢(qián)昶介紹，該公司的MOS8 IGBT在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試（最小化的總體功率損耗）方面的優(yōu)化性能可出色勝任這些應用的要求。另一方面，他強調，即便MOSFET的成本是個(gè)主要考量，但為實(shí)行一個(gè)更優(yōu)方案，也應重新審視采用MOSFET的潛力，諸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具備的領(lǐng)先特性就非常適合太陽(yáng)能逆變器的設計。

　　DC/AC變換級通常由兩個(gè)快速開(kāi)關(guān)設備和兩個(gè)用于極性選擇的開(kāi)關(guān)所組成，所以主要損耗表現為傳導損耗，也因此需要功率器件具備非常低的正向電壓降。功率MOSFET相對于IGBT的一個(gè)優(yōu)勢是其不存在拐點(diǎn)電壓(knee voltage)。而逆變器設計需要考慮高達700V的輸入電壓，系統這時(shí)會(huì )考慮采用降壓轉換器作為其第一個(gè)功率級。

　　英飛凌奧地利公司的高級工程師?Uwe Kirchner對此建議通過(guò)并聯(lián)三個(gè)英飛凌CoolMOS CP系列器件，以在600V級別上獲得少于15m歐姆的導通電阻，而CoolMOS 900V系列產(chǎn)品可提供最大導通電阻為130m歐姆的器件。但是對于慢速開(kāi)關(guān)設備，他推薦使用600V 的Trench Stop IGBT。

　　該公司電源分立器件部負責人Gerald Deboy博士也為逆變器設計的器件選型補充了自己的看法，他認為使用CoolMOS CP還是CoolMOS CED要取決于體二極管的要求。在逆變器中，當體二極管在電壓過(guò)零點(diǎn)或無(wú)功功率的傳遞過(guò)程中的硬換流現象時(shí)，使用CED較為有利。而對于IGBT的反并聯(lián)二極管，則選用SiC肖特基勢壘二極管比較合適。因為這時(shí)，降壓級的續流二極管(free wheeling diode)或電隔離系統中的整流二極管都可從SiC肖特基勢壘二極管的零反向恢復特性中受益?！　★w兆半導體的Eric指出，在太陽(yáng)能逆變器拓撲通常也可能包含一個(gè)升壓級，將輸入DC電壓提升至充分高于所需峰值輸出電壓的水平，然后通過(guò)DC/AC逆變并入電網(wǎng)。對于升壓轉換器來(lái)說(shuō)，人們最關(guān)心的是升壓二極管的開(kāi)關(guān)損耗，反向恢復電荷可能引起高損耗(這取決于功率范圍，升壓轉換器通常使用連續導通模式，這給二極管帶來(lái)顯著(zhù)的應力)。用于這一功率級的MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗亦很重要，因此可考慮選擇先進(jìn)的超結器件(例如600V SuperFET MOSFET)以減少開(kāi)關(guān)和導通損耗。在逆變器級中，通常使用專(zhuān)為軟開(kāi)關(guān)而優(yōu)化的低速 IGBT，以減小輸出濾波器的體積，從而降低濾波器的能耗。同時(shí)，由于IGBT本身具備穩固性，可以更好地抵抗電網(wǎng)的峰值電壓，許多逆變器使用專(zhuān)有拓撲以進(jìn)一步提升效率，增添更多的功能特性。

　　實(shí)現太陽(yáng)能逆變器的智能控制

　　設計太陽(yáng)能逆變器時(shí)要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵因素是效率和諧波失真。效率可分成兩個(gè)部分：太陽(yáng)能的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決于設計使用的外部元件，而不是控制器；而太陽(yáng)能的效率與控制器如何控制太陽(yáng)能電池板陣列有關(guān)。每個(gè)太陽(yáng)能電池板陣列的最大工作功率在很大程度上取決于陣列的溫度和光照。MCU必須控制太陽(yáng)能電池板陣列的輸出負載，以使陣列的工作功率最大。由于這不是一個(gè)數學(xué)密集型算法，因此可使用低成本MCU來(lái)完成任務(wù)。

　　而要智能化控制諧波失真，則需要更多處理。若要將系統用作不間斷電源（UPS），則需要諸如DSC或DSP等高性能控制器來(lái)確保在電網(wǎng)不存在時(shí)提供清潔的電能。若太陽(yáng)能逆變器只在電網(wǎng)存在時(shí)工作，則可使用低成本MCU。這是由于電網(wǎng)能吸收太陽(yáng)能逆變器產(chǎn)生的所有諧波失真，因為電網(wǎng)可以被看作是一個(gè)無(wú)窮大的負載。對于高諧波失真的太陽(yáng)能逆變器，Microchip技術(shù)開(kāi)發(fā)部的首席應用工程師John Charais推薦使用Microchip的PIC16F和PIC18F MCU系列，這兩個(gè)系列帶有片上ADC和PWM模塊，同時(shí)PIC12F615到PIC18F “K”或“J”系列MCU等更大的器件均適用。對于低諧波失真的太陽(yáng)能逆變器，推薦使用PIC32F/30F MCU和dsPIC33F DSC。

　　此外，TI對太陽(yáng)能等可再生能源的應用也很關(guān)注，但這家以DSP而著(zhù)名的公司目前向太陽(yáng)能智能控制領(lǐng)域提供的是兩款由DSP演變而來(lái)C2000系列MCU。TI高級嵌入式處理器產(chǎn)品部中國區經(jīng)理譚徽博士認為，標準太陽(yáng)能系統在多個(gè)太陽(yáng)能電池板上使用一個(gè)逆變器，而據相關(guān)的研究顯示，連接至每個(gè)太陽(yáng)能電池板的微型逆變器能提升功率轉換效率以提高每個(gè)單電池板的輸出，因此TI的C2000 Piccolo和Delfino MCU非常適用于太陽(yáng)能逆變器應用。其中，Piccolo MCU可為太陽(yáng)能電池板提供更高的工作效率以及太陽(yáng)能逆變器控制功能；而Delfino浮點(diǎn)MCU通過(guò)不同的AC來(lái)源提供常量AC電壓，AD/DC整流器后續DC/AC逆變器，在高壓(約600V DC)下同步并精確控制功率級.