光伏逆变器拓扑结构与功率器件的发展

　　光伏逆变器作为电力电子技术行业的一个重要分支，其技术进步高度依赖于电子元器件和控制技术的发展。而随着光伏发电和风力发电等新能源大规模应用和降成本的需要，反过来又推进了电力电子技术的发展，近年来逆变器厂家竞争激烈，其总体趋势是体积越来越小，重量是越来越轻，销售价格越来越低，那么，逆变器厂家是采取哪些方法怎么实现的？

 

　　1、尽量减少功率器件的数量，提高功率器件的开关频率。

 

　　你没有看错，这两个貌似相互矛盾的方案，确是逆变器行业技术路线的真实写照。为什么是这种情况，逆变器的核心技术是热设计技术和输出电流谐波控制技术，功率器件的开关频率越高，输出波形就越好，但器件的损耗也越高，逆变器体积最大，最贵的两种器件是散热器和电感，它们的体积、成本，重量约占逆变器的30%左右，逆变器怎么降成本，怎么减少体积，都要在它们俩身上打主意。

 

　　要想减少散热器的体积，就必须要减少功率器件的热损耗，目前有两种技术路线：一是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的内阻，二是采用三电平，五电平等多电平电气拓扑以及软开关技术，降低功率器件两端的电压，降低功率器件的开关频率。电感是控制逆变器输出波形最关键的硬件，要想减少电感的体积，就必须增加功率器件的开关频率。

 

　　1　功率开关管的历史：

 

　　第一代是可控硅，也称晶闸管（SCR），它只能控制器件导通，器件关通要靠主电路电压反向来进行，因此说它是一种半控型器件，它的开关容量大，能达到几万安培，耐压高，但驱动电路结构很复杂，器件的开关频率低，损耗也较大。第二代是GTR，是电流控制型双极双结电力电子器件，它具有开关损耗小和阻断电压高的优点，但开关频率不高，驱动电流较大。第三代是MOSFET，它是一种电压控制型器件，控制功率极低，开关频率高，但输出特性不好。第四代是绝缘栅晶体管（IGBT），它是一种用MOS栅控制的晶体管，它集中了GTR和MOSFET的优点，驱动电路简单和开关频率高，和MOSFET相似，输出电流大和GTR相似，第五代是加入SIC碳化硅材料的MOSFET和IGBT以及碳化硅肖特基二极管。

 

　　碳化硅（SiC）器件属于宽禁带半导体组别，与常用硅（Si）器件相比，有许多优势：一是耐高压，碳化硅器件具备更高的击穿电场强度，最高耐压可达10kV，比硅（Si）器件耐压提高了几倍；二是耐高温，其最高结温可达600度，而最新英飞凌的PrimePACK第四代IGBT，其最高结温是175度；三是碳化硅器件开关损耗非常低，非常适合用于高开关频率系统，当开关频率大于20Khz时，碳化硅器件损耗是硅IGBT的50%。IGBT+Si二极管的损耗，随着频率的改变损耗变化幅度非常大，而IGBT+SiC二极管的损耗，随着频率的变化改变不是很大。尤其是在16K到48K，其总损耗几乎是线性的，增加幅度较小。

 

　　但是碳化硅也有缺点，限制了它的应用范围，一是电流较小，迄今为止SiC MOSFET和肖特基二极管的最大额定电流小于100A，大功率逆变器用不上；二是产能不足，价格还比较贵；三是稳定性和硅基IGBT相比还差一点。

 

　　2　软开关与多电平技术

 

　　软开关技术利用谐振原理，使开关器件中的电流或者电压按正弦或者准正弦规律变化，当电流自然过零时，关断器件；当电压自然过零时，开通器件。从而减少了开关损耗，同时极大地解决了感性关断，容性开通等问题。当开关管两端的电压或流过开关管的电流为零时才导通或者关断，这样开关管不会存在开关损耗。

 

　　软开关谐振变换器是由电感、电容组成谐振电路，增加了很多器件，系统变得复杂，可靠性降低；由于光伏逆变器要保证功率因素为1，因此软开关技术只适合在前级DC-DC变换中用到，后级的DC-AC变换还需要多电平技术。

 

　　按照输出电压的电平数，逆变器可以分为两电平和多电平。两电平换流器的主要优点有：电路结构简单，电容器数量少，占地面积小。但由于两电平逆变器器件需要承受的电压高，因此开关损耗较大，为了避免出现上述技术难题，多电平开始出现，并受到了越来越多的关注。所谓多电平是指输出电压波形中的电平数等于或者大于3的换流器，如三电平、五电平、七电平等。多电平换流器降低了两电平对开关器件两端的电压，可通过合适的调制方式减少开关器件的开关损耗，同时保持交流侧较低的谐波。

 

　　两电平与多电平优点：1）损耗对比，两电平中主开关承受电压为为全部母线电压，三电平为直流侧电压一半，五电平为直流侧电压四分之一，电压的降低，带来损耗的降低和可靠性增加。2）输出谐波：输出电平台阶越多，波形越趋近与正弦波，三电平系统相对于两电平系统，相当于把开关频率提高一倍，五电平系统对两电平系统，相当于把开关频率提高两倍，后面的滤波电感容量就可以减少一到两倍。

 

　　两电平与多电平缺点：三电平、五电平和两电平器件数量相比，要多3倍到5倍，随着器件的增加，主电路线路长，系统杂散电感增加，系统的可靠性降低，控制算法也变得很复杂。

 

　　综合起来，要想把逆变器体积降低，一个途径是使用碳化硅材料的功率开关器件，提高开关频率，降低电感的体积，但碳化硅目前技术还不是非常成熟，价格较贵，容量也比较小，应用受到限制；另一个途径是采用软开关和多电平技术，可以降低器件的电压，减少损耗，从而减少散热器的体积，还可以间接提高开关频率，降低电感的体积，但是这个方案元器件增加几倍，增加了系统的风险。

 

　　有没有一种器件，既有碳化硅材料的低内阻，还有三电平结构的低电压，整个系统的元器件还不能多，还要好安装，好控制，可靠性也要好，而且价格也不能太贵。集成这么多优势的元器件到底有没有？

 

　　你不是在做梦，这种功率器件还真有，它就是集成多个元器件的功率模块。下图是Vincotech公司推出用于光伏逆变器的功率模块，它结构紧凑，将多个分立器件集成到一个模块中，减少了器件之间连线的寄生阻抗。功率模块驱动回路与主功率回路从不同的管脚分别引出，减少了IGBT主功率回路对驱动回路的电磁干扰。模块配置了NTC电阻，可以精准地检测模块内部温度。

 

　　

 

　　前级DC-DC电路 由2个高速IGBT、4个碳化硅二极管和一个温度传感器等7个元器件组成，包含双路boost模块，额定电流为50A，可以支持25kW的MPPT回路。

 

　　

　　后级采用高效MNPC三电平IGBT模块，由4个50-80A的IGBT组成，一个模块相当于8个分立器件。采用中点钳位型的T型三电平结构，损耗低效率高，元器件承受的电压低，寿命长。