掌握這份技術(shù)白皮書(shū)，光伏逆變器設計穩了！

太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源是降低碳排放的最有效方法之一。與風(fēng)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(zhù)功率開(kāi)關(guān)的發(fā)展和終端產(chǎn)品產(chǎn)生的新需求，許多新的拓撲結構應運而生。學(xué)習和了解這些拓撲結構以及常用的產(chǎn)品，有助于對整個(gè)系統深入理解和快速設計。本指南全面介紹了太陽(yáng)能逆變器設計方法，本文為第一篇，將介紹系統目標、市場(chǎng)趨勢、系統實(shí)現、系統描述。

系統目標

隨著(zhù)文明的不斷發(fā)展和人口密度的不斷增加，二氧化碳排放的增長(cháng)率開(kāi)始變得難以控制。碳排放導致的全球變暖將引發(fā)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(fēng)能和太陽(yáng)能。

太陽(yáng)能帶來(lái)的主要優(yōu)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(guò)程環(huán)保無(wú)污染，因為它不產(chǎn)生任何排放，而且它依賴(lài)于豐富且可持續的能源——太陽(yáng)。使用太陽(yáng)能有助于應對氣候變化，減少對化石燃料的依賴(lài)，并提供可靠的能源來(lái)源。此外，它還能降低電費，從而為個(gè)人和企業(yè)節省長(cháng)期成本。

光伏逆變器有多種類(lèi)型，其類(lèi)型（集中式、組串式、微型）或終端應用（住宅、商業(yè)、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(lèi)型，因為它具有靈活且易于安裝的特點(diǎn)。隨著(zhù)功率器件的不斷更新?lián)Q代，單套逆變器的功率等級/功率密度不斷提高，而單價(jià)和體積卻越來(lái)越小，這使其成為光伏逆變器市場(chǎng)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(lái)， 組串式光伏逆變器的新增總容量已經(jīng)超過(guò)了集中式光伏逆變器。微型光伏逆變器主要用于住宅發(fā)電，同時(shí)也廣泛應用于路燈和交通燈等城市基礎設施的供電。

市場(chǎng)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(jiǎn)化拓撲結構，無(wú)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(kāi)關(guān)速度也更快，因此可以縮小無(wú)源器件（尤其是電感器）的尺寸。這兩個(gè)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(guò)， 需要在成本和性能之間進(jìn)行權衡，了解實(shí)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(lái)越普遍，尤其是在 DC-DC 階段，因為其成本越來(lái)越低廉，無(wú)需對電路設計進(jìn)行大的改動(dòng)，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(wú)源器件的尺寸。

在大功率產(chǎn)品（> 200 kW）中， IGBT 是首選，因為 IGBT 在處理大電流時(shí)具有良好的性能。而且系統不需要很高的工作開(kāi)關(guān)速率，這意味著(zhù)較慢的 IGBT 關(guān)斷速度不會(huì )帶來(lái)太多問(wèn)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(dòng)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(shí)間（SCWT）比 IGBT 短。

● 更高的母線(xiàn)電壓

隨著(zhù)大功率需求的不斷增長(cháng)，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(mǎn)足這種趨勢，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了更高電壓的開(kāi)關(guān)。無(wú)論是使用高壓開(kāi)關(guān)還是多電平拓撲結構，都可以顯著(zhù)提高光伏逆變器的運行功率。請參見(jiàn) 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(yōu)化了電磁干擾性能、開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)方案帶來(lái)了挑戰。隨著(zhù)碳化硅技術(shù)的發(fā)展，最大工作電壓≥2000 V 的功率模塊和功率分立器件已被開(kāi)發(fā)出來(lái)并且正式發(fā)布，但距離量產(chǎn)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(chǎn)品的尺寸。

● 混合型光伏逆變器

免費的太陽(yáng)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(chǎn)品系列，通常用于住宅。它將一個(gè)額外的 DC-DC 轉換器耦合在光伏逆變器的母線(xiàn)上。這個(gè)額外的 DC-DC 轉換器會(huì )與電池組相連，以提供備用能源或進(jìn)行能源套利。這個(gè)新系統被整合進(jìn)一個(gè)與經(jīng)典家用太陽(yáng)能逆變器外觀(guān)相似的機箱內。

系統實(shí)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(yáng)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(gè)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(shí)現 MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）功能， 以在不同的環(huán)境和光照條件下最大化光伏組串的發(fā)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(huì )被旁路（通過(guò)低正向壓降 VF二極管），以實(shí)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(yè)應用中的 15 kW 到公用事業(yè)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(yè)和公用事業(yè)）或 1500 V（商業(yè)和公用事業(yè)）。

● 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(xiàn)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(yōu)勢，但對功率開(kāi)關(guān)的要求更高。

● 分立器件與功率模塊的對比

影響客戶(hù)決策的因素有很多，但對于大功率產(chǎn)品，尤其是并聯(lián)多個(gè) MOSFET/IGBT 分立器件時(shí)，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(fā)熱引起的長(cháng)期性能，以及開(kāi)關(guān)時(shí)序、布線(xiàn)連接等方面的問(wèn)題。