1、近年來光伏發(fā)電在各國(guó)的普及和應(yīng)用取得可觀的進(jìn)展。 作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對(duì)于 光伏系統(tǒng) 的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。本文在簡(jiǎn)要回顧了太陽(yáng)能市場(chǎng)近年來的發(fā)展之后， 著重分析了 逆變器 "> 太陽(yáng)能逆變器的設(shè)計(jì)需要并由此闡述了功率半導(dǎo)體器件與電路拓?fù)浞矫娴膬?yōu)選原則。隨著對(duì)綠色能源不斷增長(zhǎng)的需求， 太陽(yáng)能發(fā)電近年來的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關(guān)注。 2009 年度以美國(guó)為例，太陽(yáng)能工業(yè)總產(chǎn)值在整體經(jīng)濟(jì)低迷的形勢(shì)下仍增長(zhǎng)了百分之三十六，并吸引了高達(dá) 14 億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。據(jù)有關(guān)方面的可靠報(bào)導(dǎo)， 在未來三年里， 全世界對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的年需求將保持百分之三十的速

2、度遞增。 這樣的高增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)是基于以下幾個(gè)因素： 目前過剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)將光伏系統(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五； 光伏系統(tǒng)的安裝價(jià)格在持續(xù)下降；世界圍各國(guó)與地區(qū)的政府補(bǔ)貼。 中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富， 近期來國(guó)家的補(bǔ)貼扶持政策陸續(xù)推出。 如其中最具影響的金太陽(yáng)工程提出對(duì)光伏并網(wǎng)項(xiàng)目和無電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目分別給予 50%及 70%的財(cái)政補(bǔ)貼。可以相信，中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。電力電子的設(shè)計(jì)對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。 最高的轉(zhuǎn)換效率永遠(yuǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師考慮的首要因素。由于光電轉(zhuǎn)換板的效率很低，通常不超過百分之二十， 因此太陽(yáng)能逆變器 的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于減小

3、太陽(yáng)能板總面積和系統(tǒng)總體積就至關(guān)重要。 除此之外，在電能轉(zhuǎn)換過程的功率損耗直接導(dǎo)致了半導(dǎo)體晶圓的溫度升高， 所以要通過散熱器有效耗散這部分損耗能量。 器件工作時(shí)的溫升和熱應(yīng)力是影響可靠性的重要參數(shù)， 換言之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源， 還提高了系統(tǒng)可靠性， 縮減了系統(tǒng)體積和成本。 本文將闡述以提高能效為目標(biāo)的太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)原則， 并介紹市場(chǎng)上應(yīng)運(yùn)而生的各種新器件， 新電路和最新控制技術(shù)。電路拓?fù)湟烟?yáng)能轉(zhuǎn)換板輸出的“粗電” （波動(dòng)的直流電壓）變成恒定可靠的正弦波交流市電， 實(shí)現(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架： 單級(jí)變換和兩級(jí)變換， 也稱為無直流斬波和有直流斬波式。直流 - 直流斬波器能夠保持逆

4、變器輸入側(cè)電壓的恒定和可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)電壓和功率控制之間的解耦。 有些時(shí)候也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。 但是，毋庸置疑，這一級(jí)額外的變換裝置很可能對(duì)系統(tǒng)效率帶來負(fù)面影響， 所以越來越多的廠商在開發(fā)或評(píng)估單級(jí)變換的架構(gòu)， 即使這樣會(huì)面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，HERIC？ 和多電平結(jié)構(gòu)吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓?fù)湫问剑?特別是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。圖 1 ： HERIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 2：三電平鉗位二極管拓?fù)洹Ｈ鐖D 1 所示，HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上新增加了一對(duì)二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。 新增電路中的開關(guān)

5、器件以工頻周波速度開關(guān)，對(duì)于器件速度沒有特殊需求。 在應(yīng)用了適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦螅?這種電路能夠更加有效地處理無功功率， 從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。 應(yīng)當(dāng)指出， 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在仍然處于 Sunways所獲專利的有效期之， 因而在歐洲的應(yīng)用相對(duì)于亞洲和北美要廣泛。三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關(guān)注的一種新型太陽(yáng)能逆變電路拓?fù)洌驯怀晒Φ厥褂迷诟唠妷旱募惺教?yáng)能發(fā)電應(yīng)用中。 圖 2 所示的三相三電平電路的每個(gè)橋臂由 4 只帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)串聯(lián)而成， 另外每相有一個(gè)二極管相臂跨接在主開關(guān)之間， 且其中點(diǎn)和直流母線的中性點(diǎn)直接連通。 這個(gè)二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時(shí)， 每個(gè)主

6、開關(guān)器件所受最大電壓應(yīng)力為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 三電平輸出具有低次諧波小 （交流輸出更接近正弦） ，電磁噪聲水平低， 所需開關(guān)器件的電壓耐量低和級(jí)數(shù)可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，尤其適用于三相大功率高電壓的場(chǎng)合。此外，多電平電路對(duì)于系統(tǒng)成本的節(jié)約意義顯著。體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件的價(jià)格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電平電路的器件成本更低；其次，輸出電壓的諧波小， 所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小，從而降低了濾波設(shè)備成本；最后，由于開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調(diào)制方式下， 三電平的部分主開關(guān)可以在低頻下開關(guān)， 就可以采用相對(duì)經(jīng)

7、濟(jì)的開關(guān)器件。近年來光伏發(fā)電在各國(guó)的普及和應(yīng)用取得可觀的進(jìn)展。 作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對(duì)于光伏系統(tǒng)的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。本文在簡(jiǎn)要回顧了太陽(yáng)能市場(chǎng)近年來的發(fā)展之后， 著重分析了太陽(yáng)能逆變器的設(shè)計(jì)需要并由此闡述了功率半導(dǎo)體器件與電路拓?fù)浞矫娴膬?yōu)選原則。隨著對(duì)綠色能源不斷增長(zhǎng)的需求， 太陽(yáng)能發(fā)電近年來的迅猛發(fā)展引起了各方面的廣泛關(guān)注。 2009 年度以美國(guó)為例，太陽(yáng)能工業(yè)總產(chǎn)值在整體經(jīng)濟(jì)低迷的形勢(shì)下仍增長(zhǎng)了百分之三十六，并吸引了高達(dá) 14 億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。據(jù)有關(guān)方面的可靠報(bào)導(dǎo)， 在未來三年里， 全世界對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的年需求將保持百分之三十的速度遞增。 這樣的高增長(zhǎng)

8、率預(yù)測(cè)是基于以下幾個(gè)因素： 目前過剩的生產(chǎn)能力已經(jīng)將光伏系統(tǒng)的平均制造成本削減了百分之二十五； 光伏系統(tǒng)的安裝價(jià)格在持續(xù)下降；世界圍各國(guó)與地區(qū)的政府補(bǔ)貼。 中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富， 近期來國(guó)家的補(bǔ)貼扶持政策陸續(xù)推出。 如其中最具影響的金太陽(yáng)工程提出對(duì)光伏并網(wǎng)項(xiàng)目和無電地區(qū)離網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目分別給予 50%及 70%的財(cái)政補(bǔ)貼。可以相信，中國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。電力電子的設(shè)計(jì)對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。 最高的轉(zhuǎn)換效率永遠(yuǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師考慮的首要因素。由于光電轉(zhuǎn)換板的效率很低，通常不超過百分之二十， 因此太陽(yáng)能逆變器的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于減小太陽(yáng)能板總面積和系統(tǒng)總體

9、積就至關(guān)重要。 除此之外，在電能轉(zhuǎn)換過程的功率損耗直接導(dǎo)致了半導(dǎo)體晶圓的溫度升高， 所以要通過散熱器有效耗散這部分損耗能量。 器件工作時(shí)的溫升和熱應(yīng)力是影響可靠性的重要參數(shù)， 換言之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源， 還提高了系統(tǒng)可靠性， 縮減了系統(tǒng)體積和成本。 本文將闡述以提高能效為目標(biāo)的太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)原則， 并介紹市場(chǎng)上應(yīng)運(yùn)而生的各種新器件， 新電路和最新控制技術(shù)。電路拓?fù)湟烟?yáng)能轉(zhuǎn)換板輸出的“粗電” （波動(dòng)的直流電壓）變成恒定可靠的正弦波交流市電， 實(shí)現(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架： 單級(jí)變換和兩級(jí)變換， 也稱為無直流斬波和有直流斬波式。直流 - 直流斬波器能夠保持逆變器輸入側(cè)電壓的恒定和可

10、調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)電壓和功率控制之間的解耦。 有些時(shí)候也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。 但是，毋庸置疑，這一級(jí)額外的變換裝置很可能對(duì)系統(tǒng)效率帶來負(fù)面影響， 所以越來越多的廠商在開發(fā)或評(píng)估單級(jí)變換的架構(gòu)， 即使這樣會(huì)面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。在新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，HERIC？ 和多電平結(jié)構(gòu)吸引了業(yè)界更多的關(guān)注而且有望成為主流的拓?fù)湫问剑?特別是在和電網(wǎng)相聯(lián)的情況下。圖 1 ： HERIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 2：三電平鉗位二極管拓?fù)洹Ｈ鐖D 1 所示，HERIC逆變器的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上新增加了一對(duì)二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。 新增電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，

11、對(duì)于器件速度沒有特殊需求。 在應(yīng)用了適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦螅?這種電路能夠更加有效地處理無功功率， 從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。 應(yīng)當(dāng)指出， 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在仍然處于 Sunways所獲專利的有效期之， 因而在歐洲的應(yīng)用相對(duì)于亞洲和北美要廣泛。三電平二極管鉗位逆變器是近來受到特別關(guān)注的一種新型太陽(yáng)能逆變電路拓?fù)洌驯怀晒Φ厥褂迷诟唠妷旱募惺教?yáng)能發(fā)電應(yīng)用中。 圖 2 所示的三相三電平電路的每個(gè)橋臂由 4 只帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)串聯(lián)而成， 另外每相有一個(gè)二極管相臂跨接在主開關(guān)之間， 且其中點(diǎn)和直流母線的中性點(diǎn)直接連通。 這個(gè)二極管相臂起電壓鉗位的作用以保證電路工作時(shí)， 每個(gè)主開關(guān)器件所受最大電壓應(yīng)力

12、為母線電壓的一半。由于這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 三電平輸出具有低次諧波小 （交流輸出更接近正弦） ，電磁噪聲水平低， 所需開關(guān)器件的電壓耐量低和級(jí)數(shù)可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，尤其適用于三相大功率高電壓的場(chǎng)合。此外，多電平電路對(duì)于系統(tǒng)成本的節(jié)約意義顯著。體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，實(shí)踐證明，高壓半導(dǎo)體開關(guān)器件的價(jià)格高于相同電流耐量一半電壓耐量的低壓器件的兩倍，從而三電平電路的器件成本更低；其次，輸出電壓的諧波小， 所需的濾波器磁性元件尺寸大為減小，從而降低了濾波設(shè)備成本；最后，由于開管數(shù)量的增多，即使在脈寬調(diào)制方式下， 三電平的部分主開關(guān)可以在低頻下開關(guān)， 就可以采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的開關(guān)器件。電力電子器

13、件的常用種類和選型原則用于廣義的太陽(yáng)能逆變器（含輸入直流斬波級(jí)）的功率半導(dǎo)體器件主要有MOSFET， IGBT， Super Junction MOSFET。其中 MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對(duì)的 IGBT則開關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價(jià)格便宜并適用于大電流的應(yīng)用場(chǎng)合。超結(jié) MOSFET介于兩者之間，是一種性能價(jià)格折中的產(chǎn)品，在實(shí)際設(shè)計(jì)中被廣為應(yīng)用。概括地說，選用哪類器件取決于成本，效率的要求并兼顧開關(guān)頻率。如果要求硬開關(guān)在 100 千赫以上，一般只有 MOSFET能夠勝任。在較低頻段如 15 千赫，如沒有特殊的效率要求，則選擇 IGBT。在此之間的頻率，則取決于客戶

14、對(duì)轉(zhuǎn)換效率和成本的具體要求。 系統(tǒng)效率和成本之間作為一對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)工程師將根據(jù)其相應(yīng)關(guān)系對(duì)照目標(biāo)系統(tǒng)要求以確定最貼近系統(tǒng)要求的元件型號(hào)。 為了幫助設(shè)計(jì)人員量化的分析效率和器件成本之間的關(guān)系， 表一羅列了三種半導(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗和價(jià)格因素， 為了便于比較， 各參數(shù)均以 MOSFET情況作歸一化處理。超結(jié) MOSFET工藝目前沒有超過 900V 的器件。表 1 常用開關(guān)器件的性能與價(jià)格對(duì)照表（所有數(shù)字以 MOSFET情況歸一化）除去以上最典型的三類全控開關(guān)器件，業(yè)界還存在像碳化硅二極管和ESBT？ 等基于新材料和新工藝的產(chǎn)品。它們目前的價(jià)格還比較高，主要應(yīng)用于對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電效率有特殊要求的場(chǎng)合。

15、 但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和器件單價(jià)的下降，這類器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a(chǎn)品，甚至替代上述的某一類器件。工業(yè)界的最新產(chǎn)品由于太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)的龐大規(guī)模與發(fā)展?jié)摿Γ?世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商都競(jìng)相推出自己的產(chǎn)品追逐市場(chǎng)。 近幾年來，各種針對(duì)太陽(yáng)能功率變換的新器件和新技術(shù)層出不窮。在如火如荼的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，美高森美（ microsemi ）的太陽(yáng)能系列產(chǎn)品以其先進(jìn)工藝和應(yīng)用技術(shù)而獨(dú)樹一幟。單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊圖 3 所示的混合單相全橋功率模塊是專用于太陽(yáng)能單相逆變的產(chǎn)品。配合以單極型調(diào)制方法， 每個(gè)橋臂的兩只開關(guān)管分別工作在完全相異開關(guān)頻率圍。以圖示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下

16、管總是在脈寬調(diào)制頻率下動(dòng)作。根據(jù)這種工作特點(diǎn)，上管總是選用相對(duì)便宜的門極溝道型（Trench ） IGBT 以優(yōu)化通態(tài)損耗，而下管可選擇非穿通型（NPT） IGBT 以減少開關(guān)損耗。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但保障了最高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率還降低了整個(gè)逆變?cè)O(shè)備的成本。圖 4 給出了不同器件搭配的轉(zhuǎn)換效率曲線以印證這種太陽(yáng)能功率模塊的優(yōu)越性。可以發(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負(fù)載下能實(shí)現(xiàn)98%以上的轉(zhuǎn)換效率。圖 3 ：混合器件太陽(yáng)能逆變模塊。圖 4 ：不同器件搭配的逆變器效率對(duì)比。在美高森美的三電平逆變模塊中， 也引入了混合器件的機(jī)制。 其主旨在于充分利用兩端器件開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于中間相鄰兩器件。因而 APTCV60系列

17、三電平模塊使用兩頭超結(jié)MOSFET中間 Trench IGBT 的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高效率。ESBTESBT 是應(yīng)用于太陽(yáng)能的一種新型高電壓快速開關(guān)器件，它兼顧了IGBT 和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，不僅電壓耐量高于MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市場(chǎng)的ESBT 太陽(yáng)能升壓斬波器模塊集成了碳化硅二極管和ESBT， 面向 5 千瓦至 20 千瓦的超高效率升壓應(yīng)用。其電壓耐量為1200V， 集電極和射極間飽和通態(tài)電壓很低（接近 1V），優(yōu)化開關(guān)頻率在30 千赫至 40 千赫之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。 實(shí)驗(yàn)表明， 這種功率模塊比目前市場(chǎng)上對(duì)應(yīng)的 IGBT 模塊減少 40

18、% 的損耗。根據(jù) 6 千瓦的參考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此模塊在 50%至滿負(fù)載之間，轉(zhuǎn)換效率比最快的 IGBT器件要提高至少 0.6 個(gè)百分點(diǎn)。因此，在碳化硅全控器件的價(jià)格下降到可接受的圍之前， 對(duì)于超高效率的太陽(yáng)能功率變換應(yīng)用， ESBT將是開關(guān)器件的不二之選。圖 5 ： ESBT 升壓斬波模塊。旁路二極管位于太陽(yáng)能逆變器前端的旁路二極管， 嚴(yán)格來說雖然不屬于逆變部分， 但是作為太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的一部分， 對(duì)于逆變器運(yùn)行乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。美高森美新針對(duì)此應(yīng)用推出兩款新產(chǎn)品： LX2400和 SFDS1045。LX2400融入了最新的散熱封裝技術(shù) CoolRUNTM工藝，無需散熱器，通過 10A 電流時(shí)溫升小于 10？ C。 以 30 年穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)的可靠性設(shè)計(jì)保證了 100uA以下漏電流， 20A的穩(wěn)態(tài)電流能力，和雙向抗閃電功能。其最大特點(diǎn)是業(yè)界最低溫升。SFDS1045是新一代肖特基二極管