太阳能光伏逆变器拓扑结构及设计思路

在较高的开关频率下，例如16khz，来实现输出正弦波。仿真显示，这种逆变器拓扑在2kw额定功率输出时，效率可以达到99.2%。由于mosfet内置二极管的速度较慢，因此mosfet不能被用在上桥臂。

　　图13 光伏逆变器的发展-混合型

　　由于上桥臂的igbt工作在50hz的开关频率下，实际上并不需要对该支路进行滤波。因此对电路拓扑进行优化，可以得到图14所示的发射极开路型拓扑。这种拓扑的优点是只有有高频电流经过的支路才有滤波电感，从而减小了输出滤波电路的损耗。

　　图14 改进的无变压器上桥臂发射极开路型拓扑

目前vincotech公司已经有标准的发射极开路型igbt模块产品，型号是flowsol0-bi open e (p896-e02)，如图15所示。

　　图15 flowsol0-bi-open e (p896-e02)

　　技术参数：

　　(1) 升压电路采用mosfet(600v/45mω)和sic二极管组成;

　　(2) 旁路二极管主要是当输入超过额定负载时，旁路boost电路，从而改善逆变器整体效率;

　　(3) h桥的上桥臂采用igbt(600v/75a)和sic二极管，下桥臂采用mosfet(600v/45 mω);

　　(4) 模块内部集成温度检测电阻。

　　下面再来分析一下图14所示的发射极开路型拓扑。当下桥臂的mosfet工作时，与上桥臂igbt反并联的二极管却由于滤波电感的作用没有工作，这样就可以在上桥臂也使用mosfet，在轻载时提高逆变器的效率。仿真结果显示，在2kw额定功率输出时，这种光伏逆变器的欧效可以提高0.2%，从而使效率达到99.4%。在实际的应用场合中，这种拓扑对效率的提高会更多，因为仿真结果是在假定芯片结温125℃的情况下得到的，但由于mosfet体积较大，且光伏逆变器经常工作在轻载情况下，mosfet芯片结温远远低于125℃，因此实际工作时mosfet的导通阻抗rds-on将比仿真时的数值要低，损耗相应也会更小。

　　如何解决无功功率的问题呢?这种电路拓扑处理无功功率的唯一方法就是使用fred-fet，但这些器件的导通阻抗rds-on通常都很高。另一个缺点是其反向恢复特性较差，影响无功补偿和双向变换时的性能。但是在某些特殊应用中，如果必须通过无功功率来测量线路阻抗或者保护某些元器件，那么图16所示拓扑将可以满足以上要求。

图16所示拓扑结构允许纯无功负载，能够提高对电网的无功补偿，也能满足双向功率流动，例如实现高效电池充电。如果应用sic肖特基二极管，这种电路拓扑将可以达到更高的效率等级。表2是2kw额定功率下不同拓扑结构的欧洲效率

　　图16 适应无功负载的全mosfet拓扑

　　7.2 三相光伏逆变器拓扑结构

　　对于npc拓扑的三相光伏逆变器也可以做类似的改进。

　　以一相为例，在2kw额定输出时，三电平逆变器(见图17)可以达到99.2%的欧效(见表2)。稍作改动，该拓扑就可以实现无功功率流动。

　　图17 三电平逆变器

　在输出与直流母线间增加1200v二极管后，该拓扑(见图18)就可以输出无功功率。同时也可以用作高效率的双向逆变器，实现能量的反向变换。为了减小损耗，d3，d4推荐使用sic二极管。

　　图18 可实现无功功率输出的npc拓扑逆变器

　　但由于1200v的sic价格过高，图19所示的拓扑将会是一种比较好的选择。

　　图19 可实现无功功率输出的npc拓扑逆变器(增加了2个sic二极管和4个si二极管)

　　这种拓扑只使用了两个600v的sic二极管(d4，d6)。d3和d5采用快速si二极管，d7和d8采用小型si二极管，用来防止sic二极管过压损坏。

　　这里是否可能也全部采用mosfet来实现呢?答案是可以的，前提是需要把mosfet的体二极管旁路掉。这可以通过把上下半桥的输出端子分开并配上各自的滤波电感来实现。

　　图20的电路拓扑可以提高在轻载时的效率。

　　图20 采用mosfet实现无功功率输出的npc拓扑逆变器

图21是全采用mosfet方案和混合型方案在额定功率2kw时的效率比较。

　　图21 全采用mosfet方案和混合型方案在额定功率2kw时的效率比较

　　其欧效可以从99.2%提高到99.4%。无功功率由1200v快速二极管通路实现。在选择二极管时，推荐使用sic二极管，这样可以在反向变换时，达到更高的效率。或者如图22所示，d4和d6采用600v sic二极管，另外四个采用快恢复si二极管。

　　图22 采用2个sic二极管、4个si二极管和分别输出方式的npc逆变器拓扑

　　8 结束语

　　这些新的拓扑使得逆变器的效率能够达到更高的欧效等级。即使在输出功率为0.4kw时，我们仍然可以达到最高的效率，这也使得可以通过模块并联来进一步提升系统容量。此时可以非常容易的计算出投资回报率，从而也显示出效率等级在光伏逆变器应用中的重要作用。

　　对无功功率输出的改善同样使得这种拓扑结构拥有以下特性和更广泛的应用：

　　(1) 线路无功补偿;

　　(2) 高效电池充电，可应用于后备电源系统、电动交通工具和混合动力汽车;

(3) 高效、高速