新型逆变器优化光伏系统设计

取决于成本，效率的要求并兼顾开关频率。如果要求硬开关在100千赫以上，一般只有MOSFET能够胜任。在较低频段如15千赫，如没有特殊的效率要求，则选择IGBT。在此之间的频率，则取决于客户对转换效率和成本的具体要求。系统效率和成本之间作为一对矛盾，设计工程师将根据其相应关系对照目标系统要求以确定最贴近系统要求的元件型号。为了帮助设计人员量化的分析效率和器件成本之间的关系，表一罗列了三种半导体开关器件的功率损耗和价格因素，为了便于比较，各参数均以MOSFET情况作归一化处理。超结MOSFET 工艺目前没有超过900V 的器件。

　　表1 常用开关器件的性能与价格对照表 （所有数字以MOSFET情况归一化）

　　除去以上最典型的三类全控开关器件，业界还存在像碳化硅二极管和ESBT？ 等基于新材料和新工艺的产品。它们目前的价格还比较高，主要应用于对太阳能发电效率有特殊要求的场合。但随着生产工艺的不断进步和器件单价的下降，这类器件也将逐步变为主流产品，甚至替代上述的某一类器件。

　　工业界的最新产品

　　由于太阳能发电市场的庞大规模与发展潜力，世界各大半导体生产厂商都竞相推出自己的产品追逐市场。近几年来，各种针对太阳能功率变换的新器件和新技术层出不穷。在如火如荼的市场竞争中，美高森美（microsemi）的太阳能系列产品以其先进工艺和应用技术而独树一帜。

　　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（Trench） IGBT以优化通态损耗，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。因此，在碳化硅全控器件的价格下降到可接受的范围之前，对于超高效率的太阳能功率变换应用，ESBT将是开关器件的不二之选。

　　图5 ： ESBT 升压斩波模块。

　　旁路二极管

　　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。另外其独特的柔韧铜引脚具有卫星应用级别的可靠性。

　　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。