高效太陽能逆變器設(shè)計(jì)

1、實(shí)現(xiàn)更高效可靠的太陽能逆變器設(shè)計(jì) 2021-05-07 11:24:49 文章來源：電子工程專輯 我來說兩句 (0) 導(dǎo)讀: 由于能源需求不斷增長(zhǎng)，有報(bào)告稱中國(guó)到2021年將成為頭號(hào)二氧化碳排放國(guó)；而化石能源的稀缺，使可再生能源成為全球性話題。 o 關(guān)鍵字 o 太陽能逆變器半導(dǎo)體 ace=Arial 蘇宇由于能源需求不斷增長(zhǎng)，有報(bào)告稱中國(guó)到2021年將成為頭號(hào)二氧化碳排放國(guó)；而化石能源的稀缺，使可再生能源成為全球性話題。因此開展太陽能光伏技術(shù)成為中國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略中的關(guān)鍵。?電子工程專輯?市場(chǎng)分析報(bào)告指出，2021年中國(guó)大陸光伏電池產(chǎn)量已居全球第一，擁有諸如尚德、晶澳、中電光伏和天合等一批光伏電

2、池精英消費(fèi)商。而金融危機(jī)同時(shí)也給了中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)一個(gè)整合與晉級(jí)的良機(jī)。當(dāng)前，太陽能光伏市場(chǎng)(包括光伏模塊和逆變器)正以每年約30%的年累積速度增長(zhǎng)。太陽能逆變器的作用是將隨太陽能輻射及光照變化的DC電壓轉(zhuǎn)換成為電網(wǎng)兼容的AC輸出；而對(duì)于廣闊電子工程師而言，太陽能逆變器是一個(gè)值得高度關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。因此下文將介紹太陽能逆變器設(shè)計(jì)所需注意的技術(shù)要點(diǎn)、挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方法。根本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 基于太陽能逆變器的專用性以及保持設(shè)計(jì)的高效率，它需要持續(xù)監(jiān)視太陽能電池板陣列的電壓和電流，從而理解太陽能電池板陣列的瞬時(shí)輸出功率。它還需要一個(gè)電流控制的反響環(huán)，用于確保太陽能電池板陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)，以應(yīng)

3、付多變的高輸入。目前，太陽能逆變器已有多種拓?fù)錁?gòu)造，最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric(Sunways專利)逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點(diǎn)鉗位NPC逆變器；圖1所示是這些逆變器的拓?fù)鋱D(Microsemi圖源)。同時(shí)，設(shè)計(jì)還需遵從平安標(biāo)準(zhǔn)，并在電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候可以快速斷開與電網(wǎng)的連接。因此，太陽能逆變器的根本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括額定電壓、容量、效率、電池能效、輸出AC電源質(zhì)量、最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT效能、通信特性和平安性。圖1a：半橋逆變。圖1b：全橋逆變器圖1c：Heric逆變器圖1d：三相橋逆變器。圖1e：NPC三級(jí)逆變器額定電壓：太陽能逆變器的主要功能是把來自光伏面板有時(shí)是經(jīng)過穩(wěn)

4、壓的DC電壓的可變DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以驅(qū)動(dòng)負(fù)載或給電網(wǎng)供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V；而對(duì)工業(yè)應(yīng)用來說，480V也很常見。對(duì)選定的逆變器拓?fù)鋪碚f，輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的額定電壓。容量：它是太陽能逆變器額定功率的另一個(gè)說法。該數(shù)值在200W面板集成模塊到數(shù)百千瓦之間。容量越大，逆變器的體積越大、價(jià)格越高。太陽能逆變器的本錢以美元/瓦來衡量。就一個(gè)恰到好處的設(shè)計(jì)而言，確定容量時(shí)，必須把浪涌、過載以及連續(xù)工作形式等情況考慮在內(nèi)。效率：每個(gè)太陽能逆變器都有其對(duì)效率輸出功率/輸入功率的要求，例如，一個(gè)數(shù)千瓦系統(tǒng)的典型效

5、率可達(dá)95%?；谔柲荜嚵械哪芰哭D(zhuǎn)換效率相對(duì)低約在15%左右的事實(shí)，所以，就以最小的太陽能面板獲得最多的輸出功率來說，高效逆變器具有非常重要的意義。電池才能：在逆變器的DC側(cè)加裝電池組起著能量緩存器的作用，它能平抑DC電壓可能的波動(dòng)并把負(fù)載還未使用的能量存儲(chǔ)起來。電池才能的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)天黑時(shí)仍可持續(xù)提供能量。任何加裝了電池的太陽能逆變器都需要電池控制器，雖然在連接電網(wǎng)的情況一般用不到。輸出功率質(zhì)量：源于逆變器內(nèi)在的開關(guān)形式特性，其AC輸出波形并非理想的正弦波，且通常還包含由脈寬調(diào)制PWM引入的寬范圍高頻諧波。對(duì)許多電子負(fù)載來說，這些諧波有害無益；當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，這些諧波成為污染源。盡管有這些諧波，

6、太陽能逆變器仍然可以對(duì)負(fù)載較差的功率因數(shù)進(jìn)展補(bǔ)償，并弱化諸如電壓驟降和波動(dòng)等電源質(zhì)量問題。一款設(shè)計(jì)精良的太陽能逆變器應(yīng)輸出近似正弦波并減少引入到電網(wǎng)內(nèi)不期望的低頻成分。MPPT效能：太陽能面板的輸出將遵循電流-電壓曲線圖中不同光照條件下的一系列特性曲線，因此，為獲得最大功率輸出，需對(duì)電壓進(jìn)展動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最大功率點(diǎn)跟蹤手法類似獲取內(nèi)燃機(jī)最正確效率曲線的作法，其中，扭矩和速度對(duì)應(yīng)電流和電壓。過去10年間，開發(fā)出假設(shè)干算法，其中最流行的是通過擾動(dòng)電壓和觀察輸出的方法。通信特性：對(duì)一個(gè)數(shù)千瓦的太陽能逆變器來說，構(gòu)建一個(gè)用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的通信連接很有必要。歸功于當(dāng)今這樣一個(gè)數(shù)字時(shí)代，作為一種通用控制器的

7、微處理器(MCU)很適宜該功能。平安性：有兩個(gè)含義：1.當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，需仔細(xì)觀察波形并在掉電時(shí)，立即切斷連接；反孤島保護(hù)對(duì)此很關(guān)鍵。2.維護(hù)和維修時(shí)，工作人員應(yīng)沒平安風(fēng)險(xiǎn)。并網(wǎng)逆變器需要在不降低功率等級(jí)的前提下，嚴(yán)密匹配電網(wǎng)的相位和頻率。在并網(wǎng)時(shí)，逆變器可以把負(fù)載用不了的電能回送至電網(wǎng)且無須借助體積龐大、本錢高昂的能量存儲(chǔ)器件。基于平安考慮，并網(wǎng)的逆變器將在掉電時(shí)自動(dòng)切斷且一般沒有用于存儲(chǔ)能量的電池組。同時(shí)，離網(wǎng)太陽能逆變器工作在獨(dú)立形式，無需與外部AC電網(wǎng)同步。所以，它不需要任何反孤島保護(hù)措施。另外，對(duì)于逆變器的并網(wǎng)設(shè)計(jì)和離網(wǎng)設(shè)計(jì)，兩者間的區(qū)別還在于輸出級(jí)。然而，在并網(wǎng)連接系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下，

8、DC/AC級(jí)由600V的功率MOSFET和/或IGBT所構(gòu)建，離網(wǎng)系統(tǒng)那么使用為電池級(jí)饋送的低壓輸出，主要的應(yīng)用包括太陽能街燈照明或使用48V電壓軌輸出的太陽能輔助電信系統(tǒng)。在48V系統(tǒng)中，那么一般選擇100V的功率MOSFET來構(gòu)建全橋逆變器。下文也將會(huì)對(duì)太陽能逆變器中的MOSFET和IGBT的使用進(jìn)展詳細(xì)介紹。系統(tǒng)效率可能成為了太陽能逆變器最重要的設(shè)計(jì)考慮因素，是不同競(jìng)爭(zhēng)廠商之間優(yōu)劣的區(qū)分要素。一臺(tái)20kWp安裝設(shè)備每天平均輸出電能為190kWh，假設(shè)其效率從95%進(jìn)步到96%，假設(shè)強(qiáng)迫入網(wǎng)電價(jià) (feed-in tariff)按0.40美元/ kWh，并以10年壽命周期來計(jì)算，其所節(jié)省約

9、為逆變器自身本錢的一半，因此效率的重要性不言而喻。一旦輸出功率確定了，那么最高轉(zhuǎn)換效率和最低功率器件損耗講的就是一回事。考慮到光伏面板把太陽能轉(zhuǎn)換為電能的效率很低一般只有15%，那么能量逆變器的效率在減小太陽能面板面積和整個(gè)系統(tǒng)的體積方面就很有意義。除此原因外，器件的功率損耗將在硅裸片上產(chǎn)生熱從而導(dǎo)致溫升，因此，必須有效散熱。這些損耗導(dǎo)致的熱過力是高可靠設(shè)計(jì)必須竭力應(yīng)付的且必需要用到散熱器。眾所周知，散熱器個(gè)頭大、價(jià)格高；另外，其采用諸如風(fēng)扇等器件使散熱器的可靠性不高。換句話，盡可能小的功率損耗不僅節(jié)省能量，還可以提升系統(tǒng)可靠性，使系統(tǒng)更緊湊并降低了本錢。由于現(xiàn)有逆變器的第一次故障平均時(shí)間約是

10、5年，因此太陽能逆變器成為造成光伏系統(tǒng)諸多故障的主要原因。為提升逆變器設(shè)計(jì)的可靠性，需考慮如下因素并采取相應(yīng)措施，包括：低損耗功率器件和開關(guān)電路、更新的封裝技術(shù)、對(duì)電解電容器的替代、過設(shè)計(jì)、器件的冗余以及對(duì)常見失效形式和原因等的深化分析。Microsemi(美高森美)半導(dǎo)體的應(yīng)用工程師經(jīng)理錢昶指出，電和熱方面的過載是導(dǎo)致失效的兩個(gè)原因，選擇能效更高的器件和電路會(huì)降低逆變器自身的功耗并進(jìn)而降低功率器件的結(jié)溫且同時(shí)降低了熱過力；過設(shè)計(jì)是使電和熱應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于器件所能承受程度的另一條途徑；而冗余設(shè)計(jì)使器件交替工作，從而分?jǐn)偨档土嗣恳黄骷艿膲毫?。但，過設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)將顯著增加本錢，而這是制造商所不希

11、望的。因此，更可行、本錢更低的作法是研究失效形式和成因然后將該信息回饋至產(chǎn)品進(jìn)展重新設(shè)計(jì)。當(dāng)然，這就需要對(duì)大量產(chǎn)品進(jìn)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以便發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證故障機(jī)制和形式。此外，錢昶認(rèn)為太陽能逆變器可靠性設(shè)計(jì)的其它挑戰(zhàn)還應(yīng)包括：具有低可靠性的電解電容并且以合理價(jià)格找到不同種類高壓、大容量電容器的技術(shù)難度；缺少構(gòu)造化方法進(jìn)展產(chǎn)品規(guī)劃和質(zhì)量控制的不成熟制造工藝也將損害可靠性；另外，工作在惡劣環(huán)境下(極低或極高溫、潮濕和曝曬)也為可靠性設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。飛兆半導(dǎo)體技術(shù)行銷助理經(jīng)理Eric Zhang也認(rèn)為系統(tǒng)所需的母線電容確實(shí)成為影響可靠性的最重要因素，因此設(shè)計(jì)通常會(huì)選擇電解電容器，因?yàn)樗褪苋粘囟茸兓h(huán)，并可在高

12、溫下運(yùn)作。設(shè)計(jì)人員還必須理解將要并網(wǎng)發(fā)電之太陽能電池的額定輸出功率，從而選擇適宜的拓?fù)?請(qǐng)參考圖1)，并使用具有足夠耐壓的功率開關(guān)器件。而英飛凌的高級(jí)工程師Jerome Lee那么建議，可通過降低電解電容中的紋波電流以延長(zhǎng)逆變器的使用壽命。當(dāng)開關(guān)的高頻操作與高效率目的發(fā)生沖突，需要考慮電容器組是否過大或是出現(xiàn)多相系統(tǒng)。而除了電解電容老化問題，他認(rèn)為電壓額定值下降以及散熱效果是影響也是太陽能逆變器可靠性的主要因素，最具本錢性能優(yōu)化的是使用600V級(jí)別的功率器件。這時(shí)可以通過使用過壓保護(hù)系統(tǒng)或降壓變換器作為輸入級(jí)以將電壓應(yīng)力減少到500V以下。IGBT抑或MOSFET半導(dǎo)體器件影響逆變器設(shè)計(jì)的主要

13、因素可以概括為：器件擊穿電壓、封裝、熱阻從結(jié)到外殼、電流等級(jí)、導(dǎo)通電壓或?qū)ㄗ杩?、寄生電容、開關(guān)速度和本錢。而設(shè)計(jì)人員在為太陽能逆變器設(shè)計(jì)選擇功率逆變器件時(shí)又將有詳細(xì)的考慮呢？就MOSFET和IGBT來說，其選用決策視性能和本錢間的權(quán)衡而定。一般說，因IGBT的電流更大是MOSFET的兩倍多，所以采用IGBT方案的本錢比采用MOSFET的本錢低。除本錢方面的考慮外，器件性能可由功率損耗表度，而功率損耗可分為：導(dǎo)通和開關(guān)兩類。作為以少數(shù)載流子為根底的器件，在大電流下，IGBT具有更低的導(dǎo)通電壓，也就意味著更低的導(dǎo)通損耗。但MOSFET的開關(guān)速度更快，所以開關(guān)損耗比IGBT低。因此對(duì)于要求更低開關(guān)

14、頻率且更大電流的應(yīng)用來說，選擇IGBT更為適宜而且具備更低本錢優(yōu)勢(shì)。另一方面，MOSFET有才能滿足高頻、小電流應(yīng)用，特別是那些開關(guān)頻率在100kHz以上的能量逆變器模塊的需要。雖然從器件本錢角度看，MOSFET比IGBT貴，但其處理更高開關(guān)頻率的才能將簡(jiǎn)化輸出濾波器的磁設(shè)計(jì)并將顯著縮小輸出電感體積?；谏鲜鲈?，更多的制造商因此傾向于在中高程度的能量逆變器中采用IGBT。而據(jù)Microsemi的錢昶介紹，該公司的MOS8 IGBT在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試最小化的總體功率損耗方面的優(yōu)化性能可出色勝任這些應(yīng)用的要求。另一方面，他強(qiáng)調(diào)，即便MOSFET的本錢是個(gè)主要考量，但為實(shí)行一個(gè)更優(yōu)方案，也應(yīng)重新審視

15、采用MOSFET的潛力，諸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具備的領(lǐng)先特性就非常適宜太陽能逆變器的設(shè)計(jì)。DC/AC變換級(jí)通常由兩個(gè)快速開關(guān)設(shè)備和兩個(gè)用于極性選擇的開關(guān)所組成，所以主要損耗表現(xiàn)為傳導(dǎo)損耗，也因此需要功率器件具備非常低的正向電壓降。功率MOSFET相對(duì)于IGBT的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其不存在拐點(diǎn)電壓(knee voltage)。而逆變器設(shè)計(jì)需要考慮高達(dá)700V的輸入電壓，系統(tǒng)這時(shí)會(huì)考慮采用降壓轉(zhuǎn)換器作為其第一個(gè)功率級(jí)。英飛凌奧地利公司的高級(jí)工程師?Uwe Kirchner對(duì)此建議通過并聯(lián)三個(gè)英飛凌CoolMOS CP系列器件，以在600V級(jí)別上獲得少于15m歐姆的導(dǎo)通電

16、阻，而CoolMOS 900V系列產(chǎn)品可提供最大導(dǎo)通電阻為130m歐姆的器件。但是對(duì)于慢速開關(guān)設(shè)備，他推薦使用600V 的Trench Stop IGBT。該公司電源分立器件部負(fù)責(zé)人Gerald Deboy博士也為逆變器設(shè)計(jì)的器件選型補(bǔ)充了自己的看法，他認(rèn)為使用CoolMOS CP還是CoolMOS CED要取決于體二極管的要求。在逆變器中，當(dāng)體二極管在電壓過零點(diǎn)或無功功率的傳遞過程中的硬換流現(xiàn)象時(shí)，使用CED較為有利。而對(duì)于IGBT的反并聯(lián)二極管，那么選用SiC肖特基勢(shì)壘二極管比較適宜。因?yàn)檫@時(shí)，降壓級(jí)的續(xù)流二極管(free wheeling diode)或電隔離系統(tǒng)中的整流二極管都可從Si

17、C肖特基勢(shì)壘二極管的零反向恢復(fù)特性中受益。飛兆半導(dǎo)體的Eric指出，在太陽能逆變器拓?fù)渫ǔＲ部赡馨粋€(gè)升壓級(jí)，將輸入DC電壓提升至充分高于所需峰值輸出電壓的程度，然后通過DC/AC逆變并入電網(wǎng)。對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器來說，人們最關(guān)心的是升壓二極管的開關(guān)損耗，反向恢復(fù)電荷可能引起高損耗(這取決于功率范圍，升壓轉(zhuǎn)換器通常使用連續(xù)導(dǎo)通形式，這給二極管帶來顯著的應(yīng)力)。用于這一功率級(jí)的MOSFET的開關(guān)損耗亦很重要，因此可考慮選擇先進(jìn)的超結(jié)器件(例如600V SuperFET MOSFET)以減少開關(guān)和導(dǎo)通損耗。在逆變器級(jí)中，通常使用專為軟開關(guān)而優(yōu)化的低速 IGBT，以減小輸出濾波器的體積，從而降低濾波器的

18、能耗。同時(shí)，由于IGBT本身具備穩(wěn)固性，可以更好地抵抗電網(wǎng)的峰值電壓，許多逆變器使用專有拓?fù)湟赃M(jìn)一步提升效率，增添更多的功能特性。實(shí)現(xiàn)太陽能逆變器的智能控制 設(shè)計(jì)太陽能逆變器時(shí)要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵因素是效率和諧波失真。效率可分成兩個(gè)部分：太陽能的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決于設(shè)計(jì)使用的外部元件，而不是控制器；而太陽能的效率與控制器如何控制太陽能電池板陣列有關(guān)。每個(gè)太陽能電池板陣列的最大工作功率在很大程度上取決于陣列的溫度和光照。MCU必須控制太陽能電池板陣列的輸出負(fù)載，以使陣列的工作功率最大。由于這不是一個(gè)數(shù)學(xué)密集型算法，因此可使用低本錢MCU來完成任務(wù)。而要智能化控制諧波失真，那么需要更多處理。假設(shè)要將系統(tǒng)用作不連續(xù)電源UPS，那么需要諸如DSC或DSP等高性能控制器來確保在電網(wǎng)不存在時(shí)提供清潔的電能。假設(shè)