太陽(yáng)能逆變器架構組件全揭秘（圖文）

　　電解電容非常適合控制紋波，因為它們具有較低的等效串聯(lián)電阻(ESR)和較高的電容容量。沿著(zhù)圖2中PCB上邊緣的是平滑電容器組。

　　升壓型DC-DC步進(jìn)轉換器

　　下一個(gè)器件是步進(jìn)DC-DC轉換器，它負責將直流輸入升壓到開(kāi)關(guān)MOSFET橋，以便逆變器能夠高效地產(chǎn)生230V, 50Hz交流正弦波傳輸給電網(wǎng)。這個(gè)DC-DC升壓轉換器連同H5開(kāi)關(guān)橋包含在單獨的電源模塊中，該電源模塊附在逆變器主板的背面，可以很好地散熱到底座。這個(gè)模塊在最終裝配時(shí)將被安裝在圖2主板上部的中間部分。

　　圖4顯示了典型的無(wú)變壓器配置系統中的基本的DC/AC轉換電路或逆變器。其中：DC/DC轉換提升或降低輸入的PV電壓，調整其輸出以達到DC/AC轉換級中的最大效率；電容器提供進(jìn)一步的電壓緩沖；H4橋中的IGBT或MOSFET利用20kHz范圍內的開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生交流電壓；線(xiàn)圈使交流電壓平滑切換為正弦信號，用于產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流輸出。　　無(wú)變壓器逆變器技術(shù)

　　早在光伏市場(chǎng)發(fā)展之前，無(wú)變壓器開(kāi)關(guān)技術(shù)的理念就已存在了。設備工程師知道，一對場(chǎng)效應管在完全開(kāi)啟或關(guān)閉的狀態(tài)下工作效率最高，因為這時(shí)沒(méi)有電流經(jīng)過(guò)它們，而且它們也不產(chǎn)生功率損耗。因此，放大一個(gè)理想方波的理論效率可達100%。信號被一個(gè)更高頻率的方波調制，其結果就是脈寬調制(PWM),這個(gè)電路被稱(chēng)為D類(lèi)電路。用這種方式，就可能實(shí)現DC-DC轉換，或DC到AC的高效切換。對于太陽(yáng)能逆變器而言，由于MOSFET和IGBT器件的成本高昂，所以這種技術(shù)在以往并不適用。不過(guò)，隨著(zhù)這些器件成本不斷降低并且速度更快，相比于模擬切換到大量的銅鐵器件，該技術(shù)更具成本效益。這種技術(shù)也可用于制造電動(dòng)汽車(chē)。

　　在歐洲，無(wú)變壓器逆變器至今已經(jīng)應用了幾年，SMA公司在2010年8月獲得UL認證在美國銷(xiāo)售此類(lèi)產(chǎn)品。這個(gè)認證適用于SMA的無(wú)變壓器逆變器Sunny Boy 8000TL-US, Sunny Boy 9000TL-US 和Sunny Boy 10000TL-US ，并保證符合針對光伏和電池供電逆變器的UL 1741標準，該標準首次涵蓋了無(wú)變壓器逆變器的規范要求。與采用電隔離的器件相比，無(wú)變壓器逆變器要簡(jiǎn)潔得多；而且，憑借先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路，無(wú)變壓器逆變器能提供比傳統逆變器更寬的工作電壓范圍。

圖4： 無(wú)變壓器DC/AC轉換電路—逆變器(TI提供)

　　沒(méi)有電隔離的負面結果是可能導致接地故障，損壞逆變器并引發(fā)電火花。在有變壓器的情況下，如果次級電路發(fā)生短路，那么所有電流都將流經(jīng)初級電路，一旦變壓器過(guò)熱，就將被熱切斷阻止（希望如此）。在無(wú)變壓器情況下，如果沒(méi)有保護電路或保護電路失效，未能探測到接地故障或跳閘，大功率MOSFET或IGBT將立刻以一種災難性的方式失效。幸運的是，這類(lèi)事件的發(fā)生非常罕見(jiàn)，而且所有這種逆變器都要遵循UL 1741要求，具備接地故障保護功能。無(wú)論如何，都要保持具備這種功能，以確保在調整合路器及隔離熔斷器大小時(shí)將未探測到接地故障時(shí)的反饋電流考慮進(jìn)去。

　　如果能夠執行準確簡(jiǎn)單的計算，無(wú)變壓器逆變器就幾乎沒(méi)有缺點(diǎn)，而且具有眾多優(yōu)點(diǎn)。

　　不過(guò)，光伏逆變器還有很多其他的關(guān)鍵功能。

　　光伏逆變器還提供電網(wǎng)切斷功能，以防光伏系統給已經(jīng)切斷的設施供電；也就是說(shuō)，在電網(wǎng)切斷期間或者通過(guò)一個(gè)不可靠的連接傳輸電力時(shí)，逆變器保持在線(xiàn)，這會(huì )導致光伏系統回輸給本地設備變壓器，在設備端產(chǎn)生數千伏電壓，并危及作業(yè)人員。安全標準規范IEEE 1547和 UL 1741要求，交流線(xiàn)電壓或頻率不在規定限制內時(shí)，所有的并網(wǎng)逆變器必須切斷，或者，在電網(wǎng)不再存在時(shí)完全關(guān)斷。在重新連接時(shí)，要等到逆變器探測到額定設備電壓和頻率超過(guò)5分鐘的時(shí)間，逆變器才能傳輸電力。如圖2右上象限所示，使用了4個(gè)額定值為22A、250VAC的LF-G繼電器。

　　但這還不是逆變器的最后職責。除了上述任務(wù)之外，逆變器在工作期間還支持手動(dòng)和自動(dòng)的輸入/輸出切斷，EMI/RFI傳導和輻射干擾抑制、接地故障中斷、PC兼容通信接口(“陽(yáng)光男孩”系列具有藍牙功能)，以及其他更多功能。該逆變器被安裝在一個(gè)堅固的封箱中，以期在戶(hù)外滿(mǎn)功率工作25年以上！　　像SMA主板這樣的典型單相光伏逆變器使用了一顆數字功率控制器、DSP，以及一對高邊/低邊柵極驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)全橋PWM轉換器。該逆變器和許多性能優(yōu)良的逆變器應用都采用全H橋拓撲，因為它具有任何開(kāi)關(guān)模式拓撲的最高功率承載能力。SMA采用H5技術(shù)，在輸出電容器和H橋之間的第5個(gè)功率半導體器件阻止了電荷的激勵振蕩損耗，并再次顯著(zhù)降低了功率損耗。與經(jīng)典的逆變橋電路(H4拓撲) 相比，H5獲得了明顯改進(jìn)，其最大轉換效率達98%。為防止光伏發(fā)電機的電力波動(dòng)，在逆變器的空運行期間，該架構將直流側與交流側斷開(kāi)。

　　與圖4中的H4橋相比，圖5所示的H5拓撲僅需多一個(gè)開(kāi)關(guān)器件。開(kāi)關(guān)器件T5、T2和T4工作在20kHz左右的高頻，T1和T3工作在電網(wǎng)頻率50 Hz。在空運行期間，T5是開(kāi)路的，以斷開(kāi)直流和交流側。正向電流空運行路徑通過(guò)T1、T3的反向二極管，反向電流通過(guò)T3和T1的二極管形成環(huán)路。

圖5： SMA的H5橋拓撲

　　PWM電壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作在全橋輸出端形成了離散嘈雜的50Hz電流波形。高頻噪聲成分被濾除并產(chǎn)生一個(gè)中等低幅度的50Hz正弦波。H橋采用不對稱(chēng)單極性調制方法工作。不對稱(chēng)H橋的高邊應由取決于主線(xiàn)路極性的50Hz半波驅動(dòng)；而對應的低邊則經(jīng)PWM調制形成正弦波。圖2所示逆變