光伏逆變器拓撲結構與功率器件的展開(kāi)

光伏逆變器作為電力電子技術(shù)行業(yè)的一個(gè)重要分支，其技術(shù)進(jìn)步高度依賴(lài)于電子元器件和控制技術(shù)的展開(kāi)。而隨著(zhù)光伏發(fā)電微風(fēng)力發(fā)電等新能源大范圍應用和降本錢(qián)的需求，反過(guò)來(lái)又推進(jìn)了電力電子技術(shù)的展開(kāi)，近年來(lái)逆變器廠(chǎng)家競爭猛烈，其總體趨向是體積越來(lái)越小，重量是越來(lái)越輕，銷(xiāo)售價(jià)錢(qián)越來(lái)越低，那么，逆變器廠(chǎng)家是采取哪些方法怎樣完成的？

1、盡量減少功率器件的數量，進(jìn)步功率器件的開(kāi)關(guān)頻率。

2、盡量增加功率器件的數量，降低功率器件的開(kāi)關(guān)頻率。

你沒(méi)有看錯，這兩個(gè)貌似相互矛盾的方案，確是逆變器行業(yè)技術(shù)道路的真實(shí)寫(xiě)照。為什么是這種情況，逆變器的中心技術(shù)是熱設計技術(shù)和輸出電流諧波控制技術(shù)，功率器件的開(kāi)關(guān)頻率越高，輸出波形就越好，但器件的損耗也越高，逆變器體積最大，最貴的兩種器件是散熱器和電感，它們的體積、本錢(qián)，重量約占逆變器的30%左右，逆變器怎樣降本錢(qián)，怎樣減少體積，都要在它們倆身上打主意。

要想減少散熱器的體積，就必需求減少功率器件的熱損耗，目前有兩種技術(shù)道路：

一是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的內阻

二是采用三電平，五電對等多電平電氣拓撲以及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，降低功率器件兩端的電壓，降低功率器件的開(kāi)關(guān)頻率。電感是控制逆變器輸出波形最關(guān)鍵的硬件，要想減少電感的體積，就必需增加功率器件的開(kāi)關(guān)頻率。

1、功率開(kāi)關(guān)管的歷史：

第一代是可控硅，也稱(chēng)晶閘管(SCR)，它只能控制器件導通，器件關(guān)通要靠主電路電壓反向來(lái)中止，因此說(shuō)它是一種半控型器件，它的開(kāi)關(guān)容量大，能抵達幾萬(wàn)安培，耐壓高，但驅動(dòng)電路結構很復雜，器件的開(kāi)關(guān)頻率低，損耗也較大。

第二代是GTR，是電流控制型雙極雙結電力電子器件，它具有開(kāi)關(guān)損耗小和阻斷電壓高的優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)關(guān)頻率不高，驅動(dòng)電流較大。

第三代是MOSFET，它是一種電壓控制型器件，控制功率極低，開(kāi)關(guān)頻率高，但輸出特性不好。

第四代是絕緣柵晶體管(IGBT)，它是一種用MOS柵控制的晶體管，它集中了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單和開(kāi)關(guān)頻率高，和MOSFET相似，輸出電流大和GTR相似，第五代是參與SIC碳化硅材料的MOSFET和IGBT以及碳化硅肖特基二極管。

碳化硅(SiC)器件屬于寬禁帶半導體組別，與常用硅(Si)器件相比，有許多優(yōu)勢：一、是耐高壓，碳化硅器件具備更高的擊穿電場(chǎng)強度，最高耐壓可達10kV，比硅(Si)器件耐壓進(jìn)步了幾倍；二、是耐高溫，其最高結溫可達600度，而最新英飛凌的PrimePACK第四代IGBT，其最高結溫是175度；三、是碳化硅器件開(kāi)關(guān)損耗非常低，非常適宜用于高開(kāi)關(guān)頻率系統，當開(kāi)關(guān)頻率大于20Khz時(shí)，碳化硅器件損耗是硅IGBT的50%。IGBT+Si二極管的損耗，隨著(zhù)頻率的改動(dòng)損耗變化幅度非常大，而IGBT+SiC二極管的損耗，隨著(zhù)頻率的變化改動(dòng)不是很大。特別是在16K到48K，其總損耗幾乎是線(xiàn)性的，增加幅度較小。

但是碳化硅也有缺點(diǎn)，限制了它的應用范圍：

一、是電流較小，迄今為止SiCMOSFET和肖特基二極管的最大額定電流小于100A，大功率逆變器用不上；

二、是產(chǎn)能缺乏，價(jià)錢(qián)還比較貴；

三、是穩定性和硅基IGBT相比還差一點(diǎn)；

2、軟開(kāi)關(guān)與多電平技術(shù)

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應用諧振原理，使開(kāi)關(guān)器件中的電流或者電壓按正弦或者準正弦規律變化，當電流自然過(guò)零時(shí)，關(guān)斷器件；當電壓自然過(guò)零時(shí)，開(kāi)通器件。從而減少了開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)極大地處置了理性關(guān)斷，容性開(kāi)通等問(wèn)題。當開(kāi)關(guān)管兩端的電壓或流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零時(shí)才導通或者關(guān)斷，這樣開(kāi)關(guān)管不會(huì )存在開(kāi)關(guān)損耗。

軟開(kāi)關(guān)諧振變換器是由電感、電容組成諧振電路，增加了很多器件，系統變得復雜，可靠性降低；由于光伏逆變器要保證功率要素為1，因此軟開(kāi)關(guān)技術(shù)只適宜在前級DC-DC變換中用到，后級的DC-AC變換還需求多電平技術(shù)。

按照輸出電壓的電平數，逆變器可以分為兩電平和多電平。

兩電平換流器的主要優(yōu)點(diǎn)有：電路結構簡(jiǎn)單，電容器數量少，占空中積小。但由于兩電平逆變器器件需求承受的電壓高，因此開(kāi)關(guān)損耗較大，為了避免呈現上述技術(shù)難題，多電平開(kāi)端呈現，并遭到了越來(lái)越多的關(guān)注。

所謂多電平是指輸出電壓波形中的電平數等于或者大于3的換流器，如三電平、五電平、七電對等。多電平換流器降低了兩電平對開(kāi)關(guān)器件兩端的電壓，可經(jīng)過(guò)適合的調制方式減少開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)堅持交流側較低的諧波。

兩電平與多電平優(yōu)點(diǎn)：

1）損耗對比，兩電平中主開(kāi)關(guān)承受電壓為為全部母線(xiàn)電壓，三電平為直流側電壓一半，五電平為直流側電壓四分之一，電壓的降低，帶來(lái)?yè)p耗的降低和可靠性增加。

2）輸出諧波：輸出電平臺階越多，波形越趨近與正弦波，三電平系統相關(guān)于兩電平系統，相當于把開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)步一倍，五電平系統對兩電平系統，相當于把開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)步兩倍，后面的濾波電感容量就可以減少一到兩倍。兩電平與多電平缺陷：三電平、五電平和兩電平器件數量相比，要多3倍到5倍，隨著(zhù)器件的增加，主電道路路長(cháng)，系統雜散電感增加，系統的可靠性降低，控制算法也變得很復雜。

綜合起來(lái)，要想把逆變器體積降低，一個(gè)途徑是運用碳化硅材料的功率開(kāi)關(guān)器件，進(jìn)步開(kāi)關(guān)頻率，降低電感的體積，但碳化硅目前技術(shù)還不是非常成熟，價(jià)錢(qián)較貴，容量也比較小，應用遭到限制；另一個(gè)途徑是采用軟開(kāi)關(guān)和多電平技術(shù)，可以降低器件的電壓，減少損耗，從而減少散熱器的體積，還可以間接進(jìn)步開(kāi)關(guān)頻率，降低電感的體積，但是這個(gè)方案元器件增加幾倍，增加了系統的風(fēng)險。

有沒(méi)有一種器件，既有碳化硅材料的低內阻，還有三電平結構的低電壓，整個(gè)系統的元器件還不能多，還要好安裝，好控制，可靠性也要好，而且價(jià)錢(qián)也不能太貴。集成這么多優(yōu)勢的元器件到底有沒(méi)有？

這種功率器件還真有，它就是集成多個(gè)元器件的功率模塊。下圖是用于光伏逆變器的功率模塊，它結構緊湊，將多個(gè)分立器件集成到一個(gè)模塊中，減少了器件之間連線(xiàn)的寄生阻抗。功率模塊驅動(dòng)回路與主功率回路從不同的管腳分別引出，減少了IGBT主功率回路對驅動(dòng)回路的電磁干擾。模塊配置了NTC電阻，可以精準地檢測模塊內部溫度。2802.png前級DC-DC電路 由2個(gè)高速I(mǎi)GBT、4個(gè)碳化硅二極管和一個(gè)溫度傳感器等7個(gè)元器件組成，包含雙路boost模塊，額定電流為50A，可以支持25kW的MPPT回路。

后級采用高效MNPC三電平IGBT模塊，由4個(gè)50-80A的IGBT組成，一個(gè)模塊相當于8個(gè)分立器件。采用中點(diǎn)鉗位型的T型三電平結構，損耗低效率高，元器件承受的電壓低，壽命長(cháng)。

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