帶你了解主流商用組串式太陽(yáng)能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著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始變得難以控制。碳排放引起的全球變暖將導(dǎo)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：

第一，可再生-太陽(yáng)可以持續(xù)不斷提供太陽(yáng)能能源；

第二，零碳排放-太陽(yáng)能由太陽(yáng)能面板產(chǎn)生；

第三，運(yùn)維成本低-光伏發(fā)電系統(tǒng)建成后，發(fā)電成本較低。

一、組串式逆變器主導(dǎo)太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)

針對(duì)不同的終端應(yīng)用(住宅、商業(yè)、公用事業(yè))，有多種類型的太陽(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(hù)的特點(diǎn)，正在成為主流太陽(yáng)能逆變器類型。組串式光伏逆變器的單機(jī)故障對(duì)總發(fā)電量影響有限，其余逆變器可繼續(xù)照常工作。同時(shí)，更小的尺寸更易于安裝，無(wú)需重型機(jī)械即可完成安裝。隨著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)

二、組串式太陽(yáng)能逆變器典型框圖

組串式逆變器系統(tǒng)的主要組件是光伏電池板串或陣列、DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器、DC-Link電容器和逆變器(DC-AC 轉(zhuǎn)換器)。DC-DC級(jí)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中起著最重要作用，負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)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

三、DC-DC升壓級(jí)的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1100V是大型住宅、商業(yè)和分布式公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用中組串式逆變器的常見直流母線電壓。然而，使用 1500V 或更高電壓可以節(jié)省銅線和開關(guān)設(shè)備的成本，因?yàn)楫?dāng)總輸出功率保持不變時(shí)電流會(huì)降低，這也意味著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(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種，區(qū)別主要在于適用功率段不同。飛跨電容升壓和對(duì)稱升壓作為三電平拓?fù)?，可以降低施加到開關(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?yàn)殡姼猩系募y波電流減少。但是，應(yīng)該注意額外開關(guān)器件帶來(lái)的成本和驅(qū)動(dòng)問題。

1、3通道飛跨電容升壓SiC混合集成功率模塊

(1)特性

1000V低VCE(SAT) 快速開關(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(xiàng)；

內(nèi)部NTC熱敏電阻。

(2)優(yōu)勢(shì)

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。

(3)應(yīng)用

1500V組串式工商業(yè)用光伏逆變器。

2、SiC MOSFET 1200 V, 20mΩ, TO247-4L

(1)特性

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

高速開關(guān)和低電容；

使用開爾文引腳減少回路電感；

無(wú)鉛且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

(2)應(yīng)用

DC-DC/DC-AC；

大功率轉(zhuǎn)換。

四、DC-AC 逆變器級(jí)的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

逆變器級(jí)決定了總效率和輸出質(zhì)量，同樣，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最有助于為大功率三相逆變器系統(tǒng)帶來(lái)改進(jìn)。除了降低開關(guān)損耗和半導(dǎo)體要求外，還可以降低 EMI，因?yàn)閭鲗?dǎo) EMI 主要與電流紋波有關(guān)。此外，三電平系統(tǒng)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(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3：兩電平半橋與三電平I-NPC 的比較

兩電平系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的 MOSFET 或IGBT 需要承受全總線電壓，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(yīng)力會(huì)導(dǎo)致不良的總諧波失真(THD) 和輸出波形。

1、單通道I-NPC SiC 混合集成功率模塊

(1)特性

1000V低VQE(SAT)用于DC-AC轉(zhuǎn)換的快速開關(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(xiàng)；

內(nèi)部NTC熱敏電阻。

(2)優(yōu)勢(shì)

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。

(3)應(yīng)用

1500V 組串式工商業(yè)用光伏逆變器。

2、2件裝半橋全SiC功率集成模塊

(1)特性

2×1200V SiC MOSFET, RDS(ON)=10m2；

低熱阻；

內(nèi)部 NTC 熱敏電阻。

(2)優(yōu)勢(shì)

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(yù)涂高可靠性熱界面(TIM) 選項(xiàng)。

(3)應(yīng)用

三相太陽(yáng)能逆變器；

儲(chǔ)能系統(tǒng)。

五、仿真支持

安森美(onsemi)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)提供即用型 SIMetrix 電路，如升壓電路、I-NPC,T-NPCA-NPC,飛跨電容升壓，為客戶提供運(yùn)行完整仿真所需的一切，讓客戶能在訂購(gòu)任何硬件之前獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。請(qǐng)聯(lián)系當(dāng)?shù)氐匿N售代表以獲取安森美的支持。

圖4：使用安森美提供的模型運(yùn)行仿真

文章來(lái)源：安森美

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