1 引言

　　對(duì)于傳統(tǒng)電力電子裝置的設(shè)計(jì)，我們通常是通過(guò)每千瓦多少錢來(lái)衡量其性價(jià)比的,。但是對(duì)于光伏逆變器" title="光伏逆變器">光伏逆變器的設(shè)計(jì)而言,，對(duì)最大功率的追求僅僅是處于第二位的，歐洲效率的最大化才是最重要的,。因?yàn)閷?duì)于光伏逆變器而言,，不僅最大輸出功率的增加可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，歐洲效率的提高同樣可以,，而且更加明顯[1],。歐洲效率的定義不同于我們通常所說(shuō)的平均效率或者最高效率。它充分考慮了太陽(yáng)光強(qiáng)度的變化,，更加準(zhǔn)確地描述了光伏逆變器的性能,。歐洲效率是由不同負(fù)載情況下的效率按照不同比重累加得到的，其中半載的效率占其最大組成部分(見圖1),。

　　圖1 歐洲效率計(jì)算比重

　　因此為了提高光伏逆變器的歐洲效率,，僅僅降低額定負(fù)載時(shí)的損耗是不夠的，必須同時(shí)提高不同負(fù)載情況下的效率,。歐洲效率是一個(gè)新的參數(shù),，主要是針對(duì)光伏逆變器提出來(lái)的。由于太陽(yáng)光在不同時(shí)間,，強(qiáng)度是不一樣的,，所以光伏逆變器其實(shí)并不會(huì)一直工作在額定功率下，更多的是工作在輕負(fù)載的時(shí)候,。所以衡量光伏逆變器的效率,，不能完全以額定功率下的效率來(lái)衡量。所以歐洲人就想出來(lái)了一個(gè)新的參數(shù)–歐洲效率來(lái)衡量,。歐洲效率的計(jì)算方法如表1,。

　　歐洲效率的改善所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也很容易通過(guò)計(jì)算得到。例如以一個(gè)額定功率3kw的光伏逆變器為例,，根據(jù)現(xiàn)在市場(chǎng)上的成本估算，光伏發(fā)電每千瓦安裝成本大約需要4000歐元[2],，那也就意味著光伏逆變器每提高歐效1%就可以節(jié)省120歐元(光伏發(fā)電現(xiàn)在的成本大概在每千瓦4000歐元,，或者說(shuō)每瓦4歐元，包括太陽(yáng)能" title="太陽(yáng)能">太陽(yáng)能電池和光伏逆變器,，對(duì)于一個(gè)3kw的發(fā)電裝置,，如果逆變器效率提高了1%，也就是說(shuō)多發(fā)了30w,，那么成本就可以節(jié)省4×30=120歐元),。提高光伏逆變器的歐洲效率帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的,，“不惜成本”追求更高的歐效也成為現(xiàn)在光伏逆變器發(fā)展的趨勢(shì)。

　2 功率器件的選型

　　在通用逆變器的設(shè)計(jì)中,，綜合考慮性價(jià)比因素,，igbt是最多被使用的器件。因?yàn)閕gbt導(dǎo)通壓降的非線性特性使得igbt的導(dǎo)通壓降并不會(huì)隨著電流的增加而顯著增加,。從而保證了逆變器在最大負(fù)載情況下,，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。但是對(duì)于光伏逆變器而言,，igbt的這個(gè)特性反而成為了缺點(diǎn),。因?yàn)闅W洲效率主要和逆變器不同輕載情況下效率的有關(guān)。在輕載時(shí),，igbt的導(dǎo)通壓降并不會(huì)顯著下降,，這反而降低了逆變器的歐洲效率。相反,，mosfet的導(dǎo)通壓降是線性的,，在輕載情況下具有更低的導(dǎo)通壓降，而且考慮到它非常卓越的動(dòng)態(tài)特性和高頻工作能力,，mosfet成為了光伏逆變器的首選,。另外考慮到提高歐效后的巨大經(jīng)濟(jì)回報(bào)，最新的比較昂貴的器件,，如sic二極管,，也正在越來(lái)越多的被應(yīng)用在光伏逆變器的設(shè)計(jì)中，sic肖特基二極管可以顯著降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗,，降低電磁干擾,。

　　3 光伏逆變器的設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　對(duì)于無(wú)變壓器式光伏逆變器，它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

　　(1) 對(duì)太陽(yáng)能電池輸入電壓進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,，從而得到最大的輸入功率;

　　(2) 追求光伏逆變器最大歐效;

　　(3) 低的電磁干擾,。

　　為了得到最大輸入功率，電路必須具備根據(jù)不同太陽(yáng)光條件自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入電壓的功能,，最大功率點(diǎn)一般在開環(huán)電壓的70%左右,，當(dāng)然這和具體使用的光伏電池的特性也有關(guān)。典型的電路是通過(guò)一個(gè)boost電路來(lái)實(shí)現(xiàn),。然后再通過(guò)逆變器把直流電逆變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)的正弦交流電,。

　　4 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器拓?fù)浣榻B

　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)" title="拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)">拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和光伏逆變器額定輸出功率有關(guān)。對(duì)于4kw以下的光伏逆變器,，通常選用直流母線不超過(guò)500v,，單相輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　這個(gè)功能(見圖2)可以通過(guò)以下的原理圖實(shí)現(xiàn)(見圖3),。

　　圖2 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器功能圖

　　圖3 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器原理圖

　　boost電路通過(guò)對(duì)輸入電壓的調(diào)整實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤,。h橋逆變器把直流電逆變?yōu)檎医涣麟娮⑷腚娋W(wǎng),。上半橋的igbt作為極性控制器，工作在50hz,，從而降低總損耗和逆變器的輸出電磁干擾,。下半橋的igbt或者mosfet進(jìn)行pwm高頻切換，為了盡量減小boost電感和輸出濾波器的大小,，切換頻率要求盡量高一些,，如16khz。

　　4.1 單相無(wú)變壓器式光伏逆變器的優(yōu)點(diǎn)

　　我們推薦使用功率模塊來(lái)設(shè)計(jì)光伏逆變器,，因?yàn)榘褕D3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的所有器件集成到一個(gè)模塊里面可以提供以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1) 安裝簡(jiǎn)單,，可靠;

　　(2) 研發(fā)設(shè)計(jì)周期短，可以更快地把產(chǎn)品推向市場(chǎng);

　　(3) 更好的電氣性能,。

　　4.2 對(duì)于模塊設(shè)計(jì),，必需要達(dá)到的指標(biāo)

　　而對(duì)于模塊的設(shè)計(jì)，我們必須保證：

　　(1) 直流母線環(huán)路低電感設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),，我們必須同時(shí)降低模塊內(nèi)部和外部的寄生電感,。為了降低模塊內(nèi)部的寄生電感，必須優(yōu)化模塊內(nèi)部的綁定線,，管腳布置以及內(nèi)部走線,。為了降低模塊外部寄生電感，我們必須保證在滿足安全間距的前提下,，boost電路和逆變橋電路的直流母線正負(fù)兩端盡量靠近,。

　　(2) 給快速開關(guān)管配置專有的驅(qū)動(dòng)管腳

　　開關(guān)管在開關(guān)過(guò)程中，綁定線的寄生電感會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電壓的降低,。從而導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加,，甚至開關(guān)波形的震蕩。在模塊內(nèi)部,，通過(guò)給每個(gè)開關(guān)管配置專有的驅(qū)動(dòng)管腳(直接從芯片上引出),，這樣就可以保證在驅(qū)動(dòng)環(huán)路中不會(huì)有大電流流過(guò)，從而保證驅(qū)動(dòng)回路的穩(wěn)定可靠,。這種解決方案目前只有功率模塊可以實(shí)現(xiàn),，單管igbt還做不到。

　　圖4顯示了vincotech公司最新推出的光伏逆變器專用模塊flowsol-bi(p896-e01),，它集成了上面所說(shuō)的優(yōu)點(diǎn),。

　　圖4 flowsol-bi boost電路和全橋逆變電路

　　4.3 技術(shù)參數(shù)

　　(1) boost電路由mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成;

　　(2) 旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過(guò)額定負(fù)載時(shí)，旁路boost電路,，從而改善逆變器整體效率;

　　(3) h橋電路上半橋由75a/600v igbt和sic二極管組成，下半橋由mosfet(600v/45mω)組成;

　　(4) 集成了溫度檢測(cè)電阻,。

　　5 單相無(wú)變壓器光伏逆變器專用模塊flowsol0-bi的效率計(jì)算

　　這里我們主要考慮功率半導(dǎo)體的損耗,，其他的無(wú)源器件,，如boost電感，輸出濾波電感的損耗不計(jì)算在內(nèi),。

　　基于這個(gè)電路的相關(guān)參數(shù),，仿真結(jié)果如下：

　　條件

　　●pin=2kw;

　　●fpwm = 16khz;

　　●vpv-nominal = 300v;

　　●vdc = 400v。

　　根據(jù)圖5,、6的仿真結(jié)果可以看到,，模塊的效率幾乎不隨負(fù)載的降低而下降。模塊總的歐洲效率(boost+inverter)可以達(dá)到98.8%,。即使加上無(wú)源器件的損耗,，總的光伏逆變器的效率仍然可以達(dá)到98%。圖6虛線顯示了使用常規(guī)功率器件,，逆變器的效率變化,。可以明顯看到,，在低負(fù)載時(shí),，逆變器效率下降很快。

　　圖5 boost電路效率仿真結(jié)果 ee=99.6%

　　圖6 flowsol-bi逆變電路效率仿真結(jié)果-ee=99.2%標(biāo)準(zhǔn)igbt全橋-ee=97.2% (虛線)

　　6 三相無(wú)變壓器光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

　　大功率光伏逆變器需要使用更多的光伏電池組和三相逆變輸出(見圖7),，最大直流母線電壓會(huì)達(dá)到1000v,。

　　圖7 三相無(wú)變壓器式光伏逆變器功能圖

　　這里標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用是使用三相全橋電路?？紤]到直流母線電壓會(huì)達(dá)到1000v,，那開關(guān)器件就必須使用1200v的。而我們知道,，1200v功率器件的開關(guān)速度會(huì)比600v器件慢很多,，這就會(huì)增加損耗，影響效率,。對(duì)于這種應(yīng)用,，一個(gè)比較好的替代方案是使用中心點(diǎn)箝位(npc=neutral point clamped)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖8)。這樣就可以使用600v的器件取代1200v的器件,。

　　圖8 三相無(wú)變壓器npc光伏逆變器原理圖

　　為了盡量降低回路中的寄生電感,，最好是把對(duì)稱的雙boost電路和npc逆變橋各自集成在一個(gè)模塊里。

　　(1) 雙boost模塊技術(shù)參數(shù)(見圖9)

　　圖9 flowsol-npb—對(duì)稱雙boost電路

　　●雙boost電路都是由mosfet(600v/45 mω)和sic二極管組成;

　　●旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過(guò)額定負(fù)載時(shí),，旁路boost電路,，從而改善逆變器整體效率;

　　●模塊內(nèi)部集成溫度檢測(cè)電阻。

　　(2) npc逆變橋模塊的技術(shù)參數(shù)(見圖10)

　　圖10 flowsol-npi -npc逆變橋

　　●中間換向環(huán)節(jié)由75a/600v的igbt和快恢復(fù)二極管組成;

　　●上下高頻切換環(huán)節(jié)由mosfet(600v/45 mω)組成;

　　●中心點(diǎn)箝位二極管由sic二極管組成;

　　●模塊內(nèi)部集成溫度檢測(cè)電阻,。

　　對(duì)于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，關(guān)于模塊的設(shè)計(jì)要求基本類似于前文提到的單相逆變模塊，唯一需要額外注意的是，無(wú)論是雙boost電路還是npc逆變橋,，都必須保證dc+,，dc-和中心點(diǎn)之間的低電感設(shè)計(jì)。

　　有了這兩個(gè)模塊,，就很容易設(shè)計(jì)更高功率輸出光伏逆變器,。例如使用兩個(gè)雙boost電路并聯(lián)和三相npc逆變橋就可以得到一個(gè)高效率的10kw的光伏逆變器。而且這兩個(gè)模塊的管腳設(shè)計(jì)充分考慮了并聯(lián)的需求,，并聯(lián)使用非常方便,。圖 11是雙boost模塊并聯(lián)和三相npc逆變輸出模塊布局圖。

　　圖11 雙boost模塊并聯(lián)和三相npc逆變輸出模塊布局圖

　　針對(duì)1000v直流母線電壓的光伏逆變器,，npc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器是目前市場(chǎng)上效率最高的,。圖12比較了npc模塊(mosfet+igbt)和使用1200v的igbt半橋模塊的效率。

　　圖12 npc逆變橋輸出效率(實(shí)線)和半橋逆變效率(虛線)比較

　　根據(jù)仿真結(jié)果,，npc逆變器的歐效可以達(dá)到99.2%,，而后者的效率只有96.4%。npc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的,。

　　7 下一代光伏逆變器拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)思路介紹

　　目前混合型h橋(mosfet+igbt)拓?fù)湟呀?jīng)取得了較高的效率等級(jí),。而下一代的光伏逆變器，將會(huì)把主要精力集中在以下性能的改善：

　　(1) 效率的進(jìn)一步提高;

　　(2) 無(wú)功功率補(bǔ)償;

　　(3) 高效的雙向變換模式,。

　　7.1 單相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對(duì)于單相光伏逆變器,，首先討論如何進(jìn)一步提高混合型h橋拓?fù)涞男?見圖13)。

　　在圖13中,，上橋臂igbt的開關(guān)頻率一般設(shè)定為電網(wǎng)頻率(例如50hz),，而下橋臂的mosfet則工作在較高的開關(guān)頻率下，例如16khz,，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出正弦波,。仿真顯示，這種逆變器拓?fù)湓?kw額定功率輸出時(shí),，效率可以達(dá)到99.2%,。由于mosfet內(nèi)置二極管的速度較慢，因此mosfet不能被用在上橋臂,。

　　圖13 光伏逆變器的發(fā)展-混合型

　　由于上橋臂的igbt工作在50hz的開關(guān)頻率下,，實(shí)際上并不需要對(duì)該支路進(jìn)行濾波。因此對(duì)電路拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化,，可以得到圖14所示的發(fā)射極開路型拓?fù)?。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是只有有高頻電流經(jīng)過(guò)的支路才有濾波電感，從而減小了輸出濾波電路的損耗,。

　　圖14 改進(jìn)的無(wú)變壓器上橋臂發(fā)射極開路型拓?fù)?/p>

　　目前vincotech公司已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射極開路型igbt模塊產(chǎn)品,，型號(hào)是flowsol0-bi open e (p896-e02)，如圖15所示。

　　圖15 flowsol0-bi-open e (p896-e02)

　　技術(shù)參數(shù)：

　　(1) 升壓電路采用mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成;

　　(2) 旁路二極管主要是當(dāng)輸入超過(guò)額定負(fù)載時(shí),，旁路boost電路,，從而改善逆變器整體效率;

　　(3) h橋的上橋臂采用igbt(600v/75a)和sic二極管,，下橋臂采用mosfet(600v/45 mω);

　　(4) 模塊內(nèi)部集成溫度檢測(cè)電阻,。

　　下面再來(lái)分析一下圖14所示的發(fā)射極開路型拓?fù)洹．?dāng)下橋臂的mosfet工作時(shí),，與上橋臂igbt反并聯(lián)的二極管卻由于濾波電感的作用沒有工作,，這樣就可以在上橋臂也使用mosfet，在輕載時(shí)提高逆變器的效率,。仿真結(jié)果顯示,，在2kw額定功率輸出時(shí)，這種光伏逆變器的歐效可以提高0.2%,，從而使效率達(dá)到99.4%,。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合中，這種拓?fù)鋵?duì)效率的提高會(huì)更多,，因?yàn)榉抡娼Y(jié)果是在假定芯片結(jié)溫125℃的情況下得到的,，但由于mosfet體積較大，且光伏逆變器經(jīng)常工作在輕載情況下,，mosfet芯片結(jié)溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于125℃,，因此實(shí)際工作時(shí)mosfet的導(dǎo)通阻抗rds-on將比仿真時(shí)的數(shù)值要低，損耗相應(yīng)也會(huì)更小,。

　　如何解決無(wú)功功率的問(wèn)題呢?這種電路拓?fù)涮幚頍o(wú)功功率的唯一方法就是使用fred-fet,，但這些器件的導(dǎo)通阻抗rds-on通常都很高。另一個(gè)缺點(diǎn)是其反向恢復(fù)特性較差,，影響無(wú)功補(bǔ)償和雙向變換時(shí)的性能,。但是在某些特殊應(yīng)用中，如果必須通過(guò)無(wú)功功率來(lái)測(cè)量線路阻抗或者保護(hù)某些元器件,，那么圖16所示拓?fù)鋵⒖梢詽M足以上要求,。

　　圖16所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許純無(wú)功負(fù)載，能夠提高對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償,，也能滿足雙向功率流動(dòng),，例如實(shí)現(xiàn)高效電池充電。如果應(yīng)用sic肖特基二極管,，這種電路拓?fù)鋵⒖梢赃_(dá)到更高的效率等級(jí),。表2是2kw額定功率下不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的歐洲效率

　　圖16 適應(yīng)無(wú)功負(fù)載的全mosfet拓?fù)?/p>

　　7.2 三相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對(duì)于npc拓?fù)涞娜喙夥孀兤饕部梢宰鲱愃频母倪M(jìn)。

　　以一相為例,，在2kw額定輸出時(shí),，三電平逆變器(見圖17)可以達(dá)到99.2%的歐效(見表2)。稍作改動(dòng)，該拓?fù)渚涂梢詫?shí)現(xiàn)無(wú)功功率流動(dòng),。

　　圖17 三電平逆變器

　　在輸出與直流母線間增加1200v二極管后,，該拓?fù)?見圖18)就可以輸出無(wú)功功率。同時(shí)也可以用作高效率的雙向逆變器,，實(shí)現(xiàn)能量的反向變換,。為了減小損耗，d3,，d4推薦使用sic二極管,。

　　圖18 可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率輸出的npc拓?fù)淠孀兤?/p>

　　但由于1200v的sic價(jià)格過(guò)高，圖19所示的拓?fù)鋵?huì)是一種比較好的選擇,。

　　圖19 可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率輸出的npc拓?fù)淠孀兤?增加了2個(gè)sic二極管和4個(gè)si二極管)

　　這種拓?fù)渲皇褂昧藘蓚€(gè)600v的sic二極管(d4,，d6)。d3和d5采用快速si二極管,，d7和d8采用小型si二極管,，用來(lái)防止sic二極管過(guò)壓損壞。

　　這里是否可能也全部采用mosfet來(lái)實(shí)現(xiàn)呢?答案是可以的,，前提是需要把mosfet的體二極管旁路掉,。這可以通過(guò)把上下半橋的輸出端子分開并配上各自的濾波電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖20的電路拓?fù)淇梢蕴岣咴谳p載時(shí)的效率,。

　　圖20 采用mosfet實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率輸出的npc拓?fù)淠孀兤?/p>

　　圖21是全采用mosfet方案和混合型方案在額定功率2kw時(shí)的效率比較,。

　　圖21 全采用mosfet方案和混合型方案在額定功率2kw時(shí)的效率比較

　　其歐效可以從99.2%提高到99.4%。無(wú)功功率由1200v快速二極管通路實(shí)現(xiàn),。在選擇二極管時(shí),，推薦使用sic二極管，這樣可以在反向變換時(shí),，達(dá)到更高的效率,。或者如圖22所示,，d4和d6采用600v sic二極管,，另外四個(gè)采用快恢復(fù)si二極管。

　　圖22 采用2個(gè)sic二極管,、4個(gè)si二極管和分別輸出方式的npc逆變器拓?fù)?/p>

　　8 結(jié)束語(yǔ)

　　這些新的拓?fù)涫沟媚孀兤鞯男誓軌蜻_(dá)到更高的歐效等級(jí),。即使在輸出功率為0.4kw時(shí)，我們?nèi)匀豢梢赃_(dá)到最高的效率,，這也使得可以通過(guò)模塊并聯(lián)來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量,。此時(shí)可以非常容易的計(jì)算出投資回報(bào)率，從而也顯示出效率等級(jí)在光伏逆變器應(yīng)用中的重要作用,。

　　對(duì)無(wú)功功率輸出的改善同樣使得這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有以下特性和更廣泛的應(yīng)用：

　　(1) 線路無(wú)功補(bǔ)償;

　　(2) 高效電池充電,，可應(yīng)用于后備電源系統(tǒng),、電動(dòng)交通工具和混合動(dòng)力汽車;

　　(3) 高效、高速電機(jī)驅(qū)動(dòng),。