Heric電路原理與器件選型

非隔離型單相并網(wǎng)逆變器由于其體積小效率高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)（2-10kW），但由于并網(wǎng)系統(tǒng)不含變壓器且光伏電池板等對(duì)地存在多處分布電容，功率器件在高頻開(kāi)關(guān)時(shí)，在光伏電池板、逆變器、電網(wǎng)間形成共模電流。

非隔離型并網(wǎng)逆變器共模電流回路示意

為了保證人員和設(shè)備安全，對(duì)地漏電流必須要抑制在一定幅值范圍，常見(jiàn)的兩種優(yōu)化策略為：

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采用相應(yīng)的調(diào)制策略，使得逆變器交流AC端口輸出的共模電壓(VAN+VBN)/2為恒值。

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直流側(cè)或交流測(cè)解耦，電流在逆變器和電網(wǎng)之間環(huán)流時(shí)，切斷光伏電池與電網(wǎng)的連接以使得逆變器輸出共模電壓基本保持不變。

對(duì)于H橋拓?fù)?，采用雙極性PWM調(diào)制時(shí)，不同開(kāi)關(guān)模態(tài)時(shí)共模電壓穩(wěn)定在VDC/2。這樣就滿足上述對(duì)策一，可以很好抑制共模電流，但由于T1-T4在一個(gè)工頻周期內(nèi)均為高頻工作，開(kāi)關(guān)損耗較大，且由于輸出PWM電壓幅值在-VDC和+VDC之間跳變，相較單極性PWM調(diào)制時(shí)，所需的濾波電感感值也會(huì)更大。

為了兼顧效率與共模電流的抑制，一般采用對(duì)策二，幾種改進(jìn)型的單相并網(wǎng)拓?fù)浔惶岢?。H5拓?fù)渲辉黾右粋€(gè)功率器件（圖1），可實(shí)現(xiàn)輸出共模電壓的相對(duì)穩(wěn)定，但效率一般，T5在整個(gè)工頻周期內(nèi)高頻動(dòng)作，發(fā)熱較多。H6電路增加四個(gè)功率器件（圖2），其中包含兩個(gè)續(xù)流二極管，可抑制共模電流問(wèn)題，效率不錯(cuò)，但增加器件成本較多。Heribert Schmidt等學(xué)者提出了Heric拓?fù)洌▓D三）。

圖1 H5電路拓?fù)?/i>

圖2 H6電路拓?fù)?/i>

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Heric電路原理

Heric電路只增加兩個(gè)功率器件T5/D5與T6/D6，濾波電感續(xù)流時(shí)，T5/D5與T6/D6提供雙向電流通路，從交流測(cè)斷開(kāi)光伏電池板與電網(wǎng)的連接，可控制輸出共模電壓相對(duì)穩(wěn)定，且效率相較H5，H6拓?fù)涓?，被廣泛應(yīng)用。對(duì)于Heric電路，功率因數(shù)為1時(shí)，T5與T6以工頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作，正半周期，T1與T4高頻開(kāi)關(guān)，關(guān)斷時(shí)通過(guò)T6與D5續(xù)流，負(fù)半周期同理，T2,T3與T5,D6換流。整個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，逆變器AC端口共模電壓Vcn輸出情況如下表，基本穩(wěn)定在VDC/2。

圖3 Heric電路拓?fù)?/i>

當(dāng)Heric電路需要向電網(wǎng)注入無(wú)功電流時(shí)，T5,T6也需要在輸出電壓電流反向區(qū)間內(nèi)分別高頻開(kāi)關(guān)，例如在輸出滯后無(wú)功電流時(shí)，V>0,I<0階段（規(guī)定電流流出H橋?yàn)檎?，T1-T4均關(guān)斷，T5導(dǎo)通，電感電流通過(guò)T5,D6續(xù)流，T5關(guān)斷時(shí)，電感電流通過(guò)D1,D4流通，此時(shí)交流端口輸出共模電壓Vcm=0.5*(VDC+0),V<0,I>0時(shí)，工作機(jī)理也是類似的，T6,D5與D2,D3換流。

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器件選型

圖4 650V H7產(chǎn)品特性

在單相戶用光伏逆變器應(yīng)用中，小體積低噪音通常是產(chǎn)品賣點(diǎn)之一，這既可降低設(shè)備安裝要求，也可在運(yùn)行期間減少對(duì)客戶的環(huán)境干擾，因此較高開(kāi)關(guān)頻率是功率半導(dǎo)體器件需求之一，另外更高的效率，更好的可靠性也是此場(chǎng)景中產(chǎn)品所需具備的重要特性，這可為客戶帶來(lái)長(zhǎng)期穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)效益，另外單相光伏應(yīng)用中，電網(wǎng)電壓通常為220/230VAC，逆變器的母線電壓在350-400VDC左右，綜上，高效高速的650V IGBT非常適用于該應(yīng)用。英飛凌新一代650V TRENCHSTOP IGBT7 H7產(chǎn)品采用最新微溝槽柵技術(shù)，在圖四的條件中，整體損耗相較前代可減少39%，同時(shí)配備全電流的新一代發(fā)射極控制的EC7續(xù)流二極管，反向恢復(fù)特性更軟，帶來(lái)更好的EMI表現(xiàn)。

此外，650V TRENCHSTOP IGBT7 H7具有出色的防潮性能，可在惡劣環(huán)境中可靠運(yùn)行。該器件通過(guò)了JEDEC 47/20/22的相關(guān)測(cè)試，特別是HV-H3TRB，符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，非常適合戶用單相光儲(chǔ)逆變器的戶外應(yīng)用。650V H7系列產(chǎn)品電流等級(jí)為40A-150A，提供四種不同類型的封裝。

圖5 650V H7產(chǎn)品目錄

針對(duì)5kW/8kW/10kW這三個(gè)功率等級(jí)的Heric單相光伏逆變器進(jìn)行仿真，條件如下：

對(duì)于5kW Heric光伏逆變器，可選用IKWH40N65EH7，DC-AC級(jí)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98.5%，最高結(jié)溫不到120℃，實(shí)際應(yīng)用中可嘗試進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率以提升功率密度。

5kW Heric電路仿真結(jié)果

對(duì)于8kW-10kW Heric光伏逆變器，IKWH75N65EH7可覆蓋此功率段，DC-AC級(jí)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98.5%，T5/T6，D5/D6損耗較小，也可考慮選擇小一號(hào)器件來(lái)優(yōu)化成本。

8kW Heric電路仿真結(jié)果

10kW Heric電路仿真結(jié)果

另外，對(duì)于單相光伏系統(tǒng)，除了主電路功率器件以外，英飛凌還提供一站式的解決方案，包含驅(qū)動(dòng)IC, 如EiceDRIVER X3 Compact，2EDi family雙通道隔離驅(qū)動(dòng)系列均非常適用于此場(chǎng)景應(yīng)用，同時(shí)英飛凌也提供微控制器產(chǎn)品，XMC以及PSoC系列可滿足不同應(yīng)用需求，XENSIV系列電流傳感器以及AIROC系列藍(lán)牙wifi產(chǎn)品也被廣泛應(yīng)用。