光伏逆變器拓撲結構與功率器件的展開

光伏逆變器作為電力電子技術行業的一個重要分支，其技術進步高度依賴于電子元器件和控制技術的展開。而隨著光伏發電微風力發電等新能源大范圍應用和降本錢的需求，反過來又推進了電力電子技術的展開，近年來逆變器廠家競爭猛烈，其總體趨向是體積越來越小，重量是越來越輕，銷售價錢越來越低，那么，逆變器廠家是采取哪些方法怎樣完成的？

1、盡量減少功率器件的數量，進步功率器件的開關頻率。

2、盡量增加功率器件的數量，降低功率器件的開關頻率。

你沒有看錯，這兩個貌似相互矛盾的方案，確是逆變器行業技術道路的真實寫照。為什么是這種情況，逆變器的中心技術是熱設計技術和輸出電流諧波控制技術，功率器件的開關頻率越高，輸出波形就越好，但器件的損耗也越高，逆變器體積最大，最貴的兩種器件是散熱器和電感，它們的體積、本錢，重量約占逆變器的30%左右，逆變器怎樣降本錢，怎樣減少體積，都要在它們倆身上打主意。

要想減少散熱器的體積，就必需求減少功率器件的熱損耗，目前有兩種技術道路：

一是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的內阻

二是采用三電平，五電對等多電平電氣拓撲以及軟開關技術，降低功率器件兩端的電壓，降低功率器件的開關頻率。電感是控制逆變器輸出波形最關鍵的硬件，要想減少電感的體積，就必需增加功率器件的開關頻率。

1、功率開關管的歷史：

第一代是可控硅，也稱晶閘管(SCR)，它只能控制器件導通，器件關通要靠主電路電壓反向來中止，因此說它是一種半控型器件，它的開關容量大，能抵達幾萬安培，耐壓高，但驅動電路結構很復雜，器件的開關頻率低，損耗也較大。

第二代是GTR，是電流控制型雙極雙結電力電子器件，它具有開關損耗小和阻斷電壓高的優點，但開關頻率不高，驅動電流較大。

第三代是MOSFET，它是一種電壓控制型器件，控制功率極低，開關頻率高，但輸出特性不好。

第四代是絕緣柵晶體管(IGBT)，它是一種用MOS柵控制的晶體管，它集中了GTR和MOSFET的優點，驅動電路簡單和開關頻率高，和MOSFET相似，輸出電流大和GTR相似，第五代是參與SIC碳化硅材料的MOSFET和IGBT以及碳化硅肖特基二極管。

碳化硅(SiC)器件屬于寬禁帶半導體組別，與常用硅(Si)器件相比，有許多優勢：一、是耐高壓，碳化硅器件具備更高的擊穿電場強度，最高耐壓可達10kV，比硅(Si)器件耐壓進步了幾倍；二、是耐高溫，其最高結溫可達600度，而最新英飛凌的PrimePACK第四代IGBT，其最高結溫是175度；三、是碳化硅器件開關損耗非常低，非常適宜用于高開關頻率系統，當開關頻率大于20Khz時，碳化硅器件損耗是硅IGBT的50%。IGBT+Si二極管的損耗，隨著頻率的改動損耗變化幅度非常大，而IGBT+SiC二極管的損耗，隨著頻率的變化改動不是很大。特別是在16K到48K，其總損耗幾乎是線性的，增加幅度較小。

但是碳化硅也有缺點，限制了它的應用范圍：

一、是電流較小，迄今為止SiCMOSFET和肖特基二極管的最大額定電流小于100A，大功率逆變器用不上；

二、是產能缺乏，價錢還比較貴；

三、是穩定性和硅基IGBT相比還差一點；

2、軟開關與多電平技術

軟開關技術應用諧振原理，使開關器件中的電流或者電壓按正弦或者準正弦規律變化，當電流自然過零時，關斷器件；當電壓自然過零時，開通器件。從而減少了開關損耗，同時極大地處置了理性關斷，容性開通等問題。當開關管兩端的電壓或流過開關管的電流為零時才導通或者關斷，這樣開關管不會存在開關損耗。

軟開關諧振變換器是由電感、電容組成諧振電路，增加了很多器件，系統變得復雜，可靠性降低；由于光伏逆變器要保證功率要素為1，因此軟開關技術只適宜在前級DC-DC變換中用到，后級的DC-AC變換還需求多電平技術。

按照輸出電壓的電平數，逆變器可以分為兩電平和多電平。

兩電平換流器的主要優點有：電路結構簡單，電容器數量少，占空中積小。但由于兩電平逆變器器件需求承受的電壓高，因此開關損耗較大，為了避免呈現上述技術難題，多電平開端呈現，并遭到了越來越多的關注。

所謂多電平是指輸出電壓波形中的電平數等于或者大于3的換流器，如三電平、五電平、七電對等。多電平換流器降低了兩電平對開關器件兩端的電壓，可經過適合的調制方式減少開關器件的開關損耗，同時堅持交流側較低的諧波。

兩電平與多電平優點：

1）損耗對比，兩電平中主開關承受電壓為為全部母線電壓，三電平為直流側電壓一半，五電平為直流側電壓四分之一，電壓的降低，帶來損耗的降低和可靠性增加。

2）輸出諧波：輸出電平臺階越多，波形越趨近與正弦波，三電平系統相關于兩電平系統，相當于把開關頻率進步一倍，五電平系統對兩電平系統，相當于把開關頻率進步兩倍，后面的濾波電感容量就可以減少一到兩倍。兩電平與多電平缺陷：三電平、五電平和兩電平器件數量相比，要多3倍到5倍，隨著器件的增加，主電道路路長，系統雜散電感增加，系統的可靠性降低，控制算法也變得很復雜。

綜合起來，要想把逆變器體積降低，一個途徑是運用碳化硅材料的功率開關器件，進步開關頻率，降低電感的體積，但碳化硅目前技術還不是非常成熟，價錢較貴，容量也比較小，應用遭到限制；另一個途徑是采用軟開關和多電平技術，可以降低器件的電壓，減少損耗，從而減少散熱器的體積，還可以間接進步開關頻率，降低電感的體積，但是這個方案元器件增加幾倍，增加了系統的風險。

有沒有一種器件，既有碳化硅材料的低內阻，還有三電平結構的低電壓，整個系統的元器件還不能多，還要好安裝，好控制，可靠性也要好，而且價錢也不能太貴。集成這么多優勢的元器件到底有沒有？

這種功率器件還真有，它就是集成多個元器件的功率模塊。下圖是用于光伏逆變器的功率模塊，它結構緊湊，將多個分立器件集成到一個模塊中，減少了器件之間連線的寄生阻抗。功率模塊驅動回路與主功率回路從不同的管腳分別引出，減少了IGBT主功率回路對驅動回路的電磁干擾。模塊配置了NTC電阻，可以精準地檢測模塊內部溫度。2802.png前級DC-DC電路 由2個高速IGBT、4個碳化硅二極管和一個溫度傳感器等7個元器件組成，包含雙路boost模塊，額定電流為50A，可以支持25kW的MPPT回路。

后級采用高效MNPC三電平IGBT模塊，由4個50-80A的IGBT組成，一個模塊相當于8個分立器件。采用中點鉗位型的T型三電平結構，損耗低效率高，元器件承受的電壓低，壽命長。

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