一种新型逆变器优化光伏系统

单相全桥混合器件模块与三电平混合器件模块

图3所示的混合单相全桥功率模块是专用于太阳能单相逆变的产品。配合以单极型调制方法，每个桥臂的两只开关管分别工作在完全相异开关频率范围。以图示为例，上管总是在工频切换通断状态，而下管总是在脉宽调制频率下动作。根据这种工作特点，上管总是选用相对便宜的门极沟道型 IGBT以优化通态损耗，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。而下管可选择非穿通型(NPT) IGBT以减少开关损耗。这种拓扑结构不但保障了最高系统转换效率还降低了整个逆变设备的成本。图4给出了不同器件搭配的转换效率曲线以印证这种太阳能功率模块的优越性。可以发现，这种混合器件配置在不同负载下能实现98%以上的转换效率。

图3 ：混合器件太阳能逆变模块。

图4 ：不同器件搭配的逆变器效率对比。

在美高森美的三电平逆变模块中，也引入了混合器件的机制。其主旨在于充分利用两端器件开关频率远高于中间相邻两器件。因而APTCV60 系列三电平模块使用两头超结MOSFET中间Trench IGBT的结构进一步提高效率。

ESBT

ESBT 是应用于太阳能的一种新型高电压快速开关器件，它兼顾了IGBT 和MOSFET 的优点，不仅电压耐量高于MOSFET，而且损耗小于快速IGBT器件。美高森美即将推向市场的ESBT 太阳能升压斩波器模块集成了碳化硅二极管和ESBT， 面向5千瓦至20千瓦的超高效率升压应用。其电压耐量为1200V， 集电极和射极间饱和通态电压很低 (接近1V)，优化开关频率在30千赫至40千赫之间，可选择单芯片模块或双芯片模块封装。实验表明，这种功率模块比目前市场上对应的IGBT模块减少40% 的损耗。根据6千瓦的参考设计实验结果，此模块在50%至满负载之间，转换效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6个百分点。

图5 ： ESBT 升压斩波模块。

旁路二极管

为防止太阳能电池在强光下由于遮挡造成其中一些因为得不到光照而成为负载产生严重发热受损，因此在太阳能电池组件输出端的两极并联旁路二极管。一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。

太阳能逆变器是太阳能交流发电系统：电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成，逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。太阳能交流发电系统是由阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能 太阳能逆变器直流发电系统则不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。

位于太阳能逆变器前端的旁路二极管，严格来说虽然不属于逆变部分，但是作为太阳能发电设备的一部分，对于逆变器运行乃至整个系统的可靠性也至关重要。美高森美新针对此应用推出两款新产品：LX2400和SFDS1045。LX2400融入了最新的散热封装技术—CoolRUNTM工艺，无需散热器，通过10A电流时温升小于10?C。 以30年稳定运行为目标的可靠性设计保证了100uA以下漏电流，20A 的稳态电流能力，和双向抗闪电功能。其最大特点是业界最低温升。SFDS1045是新一代肖特基二极管，也是迄今为止业界最薄的旁路二极管，只有0.74mm厚度并置于玻璃封装之下，特别适合直接应用于太阳能板。

结论

提高转换效率和降低成本是太阳能逆变器设计的长期课题，也是工程设计人员面临的最大挑战。本文以如何设计优化的新一代太阳能功率变换系统出发，讨论了集中式太阳能逆变器的设计原则，典型拓扑结构和开关器件的选型方法。阐述了设计工程师如何运用器件，电路与系统各个层次上的新技术优化逆变器系统设计的方案。实践证明，美高森美的多个相关新产品能够从多个方面优化系统性能，为太阳能逆变器市场提供了高效，可靠，经济的系统解决方案。