光伏逆變器的分類、構(gòu)成及保護(hù)技術(shù)

01前言

自20世紀(jì)70年代全球爆發(fā)石油危機(jī)以來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)引起了各國高度重視，光伏行業(yè)在全球迅速發(fā)展，經(jīng)過多年的研究和技術(shù)開發(fā)，太陽能光伏組件價(jià)格已大幅下降，且太陽能轉(zhuǎn)化效率也得以提高，使得太陽能光伏發(fā)電的商業(yè)化開發(fā)與應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是將光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，并跟蹤光伏組件陣列的最大輸出功率，將其能量以最小的變換損耗、最佳的電能質(zhì)量用于電器設(shè)備應(yīng)用或饋入電網(wǎng)。

圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

02光伏逆變器的分類

光伏逆變器分為四大類：集中式、組串式、集散式和微型。其中，集中式逆變器與組串式逆變器為我國光伏逆變器的主流產(chǎn)品，占比分別為45%、42%。

圖2 光伏逆變器分類

03光伏逆變器的構(gòu)成

從光伏逆變器的成本構(gòu)成上看，直接材料成本占比非常高，超過80%，可大致分為四個(gè)部分：功率半導(dǎo)體（主要為IGBT），機(jī)構(gòu)件（塑膠件、壓鑄件、散熱器、鈑金件等）（30%左右），輔材（絕緣材料、包材等），以及其它電子元器件（電容、電感、集成電路等）（15%）。其中以IGBT為主的半導(dǎo)體器件占逆變器成本約11.8%左右。

截至2021年底，光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到3.06億千瓦，突破3億千瓦大關(guān)，連續(xù)7年穩(wěn)居全球首位。行業(yè)得到快速發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)已正式進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代。

根據(jù)國家能源部數(shù)據(jù)：2021年中國光伏新增裝機(jī)量達(dá)54.9GW，其中分布式新增裝機(jī)容量不斷增長，2021年占比首次超過50%，裝機(jī)量為29.3GW，其中新疆、西藏等地的光伏消納水平顯著提升。

04光伏逆變器的作用

IGBT在光伏逆變器的核心利用體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)保護(hù)、過電流/短路保護(hù)、過溫保護(hù)、機(jī)械故障保護(hù)等四個(gè)方面。

IGBT作為功率器件，在逆變器中承擔(dān)著功率變換和能量傳輸?shù)淖饔?，是逆變器的心臟。同時(shí)，IGBT又是逆變器中最不可靠的元器件之一，對(duì)器件的溫度和電流非常敏感，稍有超標(biāo)便會(huì)炸機(jī)且不可修復(fù)。因此IGBT是逆變器的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

05光伏逆變器的保護(hù)

1、驅(qū)動(dòng)保護(hù)

IGBT本身是一個(gè)電流開關(guān)的器件，開關(guān)多長時(shí)間是由逆變器的CPU來控制的，但是DSP輸出是一個(gè)PWM信號(hào)，速度很快，但功率不夠，驅(qū)動(dòng)器最主要的作用是放大PWM信號(hào)。

IGBT控制很大的高頻大電流，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器又和IGBT隔得很近，因此驅(qū)動(dòng)電路要有隔離功能，目前驅(qū)動(dòng)隔離方案有光耦、光纖、脈沖變壓器、磁耦等幾種。

2、過電流/短路保護(hù)

在設(shè)計(jì)IGBT時(shí)，電流一般都會(huì)留有10%以上的裕量。但是，逆變器在工作時(shí)，由于組件、負(fù)載短路，負(fù)載側(cè)故障導(dǎo)致過流，負(fù)載側(cè)有特別大的感性負(fù)載，啟停時(shí)有很大的諧波電流，這時(shí)候逆變器輸出電流會(huì)急劇上升，導(dǎo)致IGBT的工作電流也會(huì)對(duì)應(yīng)急劇上升。

IGBT短路分為兩種情況：變流器的橋臂內(nèi)發(fā)生直通，稱為一類短路，變流器短路點(diǎn)發(fā)生在負(fù)載側(cè)，等效短路阻抗較大，稱為二類短路。二類短路一般也可認(rèn)為是逆變器發(fā)生較嚴(yán)重的過流。

在短路發(fā)生時(shí)刻，如果不采取相關(guān)措施，就會(huì)導(dǎo)致IGBT快速進(jìn)入退飽和，瞬態(tài)功耗超過限值而損壞，因?yàn)镮GBT承受過電流的時(shí)間僅為幾微秒。

因此，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，要盡快關(guān)斷IGBT，而且關(guān)斷的速度要平緩，保證電流變化速率在一定范圍，避免關(guān)斷過快而引起電壓應(yīng)力超過限值而損壞IGBT，有源鉗位的方案中增加快速響應(yīng)措施，使得IGBT驅(qū)動(dòng)能夠盡快動(dòng)作。

3、過溫保護(hù)

當(dāng)逆變器環(huán)境溫度過高、逆變器散熱不良，持續(xù)過熱均會(huì)導(dǎo)致IGBT的損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，若芯片溫度超過硅本征溫度（約250℃），器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效。

在設(shè)計(jì)時(shí)主要從兩個(gè)方面去考慮：第一，加強(qiáng)完善IGBT管的散熱條件，包括風(fēng)道設(shè)計(jì)、散熱器的設(shè)計(jì)制作，加強(qiáng)制冷等；第二，設(shè)計(jì)過熱檢測保護(hù)電路，用IGBT模塊上內(nèi)置的熱敏電阻來測量IGBT散熱溫度，是很準(zhǔn)確的，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，關(guān)斷IGBT使其停止工作。

4、機(jī)械故障保護(hù)

為了散熱方便，IGBT都是通過螺絲連接，安裝在散熱器上，這個(gè)螺絲的連接強(qiáng)度要恰到好處，既不能力量太大，也不能力量太輕。如果力量太大，會(huì)損壞IGBT；如果力量太輕，在運(yùn)輸和安裝過程中，由于振動(dòng)會(huì)造成接觸不良，熱阻增加，器件過溫?fù)p壞。在安裝IGBT時(shí)，都會(huì)使用專門的螺絲批，根據(jù)IGBT型號(hào)，采用相應(yīng)的扭力，保證IGBT連接牢固的同時(shí)又不會(huì)被損壞。

來源：功率半導(dǎo)體生態(tài)圈