帶你了解主流商用組串式太陽(yáng)能逆變器的拓撲結構

隨著(zhù)文明程度和人口密度的不斷激增，二氧化碳排放速率的不斷增加開(kāi)始變得難以控制。碳排放引起的全球變暖將導致氣候惡化，最終破壞地球的生態(tài)。因此，作為解決方案，我們需要使用清潔能源，例如風(fēng)能和太陽(yáng)能。

太陽(yáng)能帶來(lái)的一些好處包括:

●   可再生 - 太陽(yáng)可以持續不斷提供太陽(yáng)能能源。

●   零碳排放 - 太陽(yáng)能由太陽(yáng)能面板產(chǎn)生。

●   運維成本低 - 光伏發(fā)電系統建成后，發(fā)電成本較低。

組串式逆變器主導太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)

針對不同的終端應用(住宅、商業(yè)、公用事業(yè))，有多種類(lèi)型的太陽(yáng)能逆變器(集中式、組串式、微型)。組串式逆變器以其靈活、易于維護的特點(diǎn)，正在成為主流太陽(yáng)能逆變器類(lèi)型。組串式光伏逆變器的單機故障對總發(fā)電量影響有限，其余逆變器可繼續照常工作。同時(shí)，更小的尺寸更易于安裝，無(wú)需重型機械即可完成安裝。隨著(zhù)功率器件的不斷迭代，單組逆變器的功率水平/功率密度不斷提升，單價(jià)和體積越來(lái)越小，這推動(dòng)組串式逆變器成為商用逆變器市場(chǎng)的主流選擇。

圖 1.組串式逆變器(12×225 kVA) 與集中式逆變器 (1×2.5 MVA)

組串式太陽(yáng)能逆變器典型框圖

組串式逆變器系統的主要組件是光伏電池板串或陣列、DC-DC升壓轉換器、DC-Link電容器和逆變器(DC-AC 轉換器)。DC-DC級實(shí)現兩個(gè)主要功能，將PV 串的輸出電壓提升至DC-Link工作電壓水平，并實(shí)施 MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤) 功能，使光伏面板在不同環(huán)境和太陽(yáng)輻照度下產(chǎn)生的功率最大化。逆變器在該系統中起著(zhù)最重要作用，負責將直流電轉換為交流電，用于正常的住宅用電或并網(wǎng)。

圖 2.組串式大陽(yáng)能逆變器典型框圖

DC-DC 升壓級的主流拓撲結構

1100V 是大型住宅、商業(yè)和分布式公用事業(yè)規模應用中組串式逆變器的常見(jiàn)直流母線(xiàn)電壓。然而，使用 1500V 或更高電壓可以節省銅線(xiàn)和開(kāi)關(guān)設備的成本，因為當總輸出功率保持不變時(shí)電流會(huì )降低，這也意味著(zhù)在范圍更廣的溫度和輻照條件下可以捕獲更高的能量。

DC-DC升壓級的拓撲結構主要有三種，區別主要在于適用功率段不同。飛跨電容升壓和對稱(chēng)升壓作為三電平拓撲，可以降低施加到開(kāi)關(guān)的電壓，最終獲得更好的效率和功率密度。其次，可以選擇更小、更輕的電感，因為電感上的紋波電流減少。但是，應該注意額外開(kāi)關(guān)器件帶來(lái)的成本和驅動(dòng)問(wèn)題。

3 通道飛跨電容升壓 

SiC 混合集成功率模塊

特性

●   1000V低VCE(SAT) 快速開(kāi)關(guān)IGBT和1200 V SiC二極管

●   具有低熱阻基板的模塊

●   提供焊接引腳和壓接式引腳選項

●   內部NTC熱敏電阻

優(yōu)勢

●   易于組裝。更高的輸出功率

●   靈活支持不同制造工藝

●   出色的效率和熱損耗。輸出功率高于 1200V IGBT 解決方案

應用

●   1500 V 組串式工商業(yè)用光伏逆變器

SiC MOSFET 1200 V, 20mΩ, TO247-4L

特性

●   最大RDS(ON)=28mΩ (Vgs=20V, ld=60A時(shí))

●   高速開(kāi)關(guān)和低電容

●   使用開(kāi)爾文引腳減少回路電感

●   無(wú)鉛且符合RoHS標準

應用

●   DC-DC/DC-AC

●   大功率轉換

DC-AC 逆變器級的主流拓撲結構

逆變器級決定了總效率和輸出質(zhì)量，同樣，三電平拓撲結構最有助于為大功率三相逆變器系統帶來(lái)改進(jìn)。除了降低開(kāi)關(guān)損耗和半導體要求外，還可以降低 EMI，因為傳導 EMI 主要與電流紋波有關(guān)。此外，三電平系統可以提供更好的正弦電壓波形，這種高質(zhì)量的輸出可以減少電纜的壓力和高靈敏度電氣設備的風(fēng)險

圖 3.兩電平半橋與三電平I-NPC 的比較

兩電平系統設計中的 MOSFET 或IGBT 需要承受全總線(xiàn)電壓，這將增加大功率大陽(yáng)能逆變器的成本。此外，高 dV/dt 和 dl/dt 應力會(huì )導致不良的總諧波失真(THD) 和輸出波形。

單通道I-NPC

SiC 混合集成功率模塊

特性

●   1000V低VQE(SAT)用于DC-AC轉換的快速開(kāi)關(guān)IGBT和 1200V SiC二極管優(yōu)化組合

●   具有低熱阻基板的模塊

●   提供焊接引腳和壓接式引腳選項

●   內部 NTC 熱敏電阻

優(yōu)勢

●   易于組裝，輸出功率更高。靈活支持不同制造工藝

●   在正常和無(wú)功功率條件下具有出色的效率和熱損耗

應用

●   1500 V 組串式工商業(yè)用光伏逆變器

2件裝半橋全SiC功率集成模塊

特性

●   2×1200V SiC MOSFET, RDS(ON)=10m2

●   低熱阻

●   內部 NTC 熱敏電阻

優(yōu)勢

●   在更高的電壓下，RDS(ON) 進(jìn)一步降低

●   更高的效率或更高的功率密度

●   提供預涂高可靠性熱界面(TIM) 選項

應用

●   三相太陽(yáng)能逆變器

●   儲能系統

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