逆变器——优化光伏发电的装置

c(Sunways专利)逆变器，以及用于三相的六脉冲桥和中点钳位（NPC）逆变器。太阳能逆变器的典型架构一般采用四个开关的全桥拓扑，如图1所示。

图1 全桥拓扑示意图

　　在图1中， Q1 和Q3被指定为高压侧IGBT，Q2 和Q4 则是低压侧 IGBT。该逆变器用于在其目标市场的频率和电压条件下，产生单相位正弦电压波形。有些逆变器用于连接净计量效益电网的住宅安装，这就是其中一个目标应用市场，此项应用要求逆变器提供低谐波交流正弦电压，让力可注入电网中。

实质上，为保持谐波分量低和功率损耗最小，逆变器的高压端IGBT采用脉宽调制(PWM)，低压端IGBT则以60Hz频率变换电流方向。通过让高压端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM频率和50/60Hz调制方案，输出电感L1和L2在实例中可以做得很小，并且照样能对谐波分量进行高效滤波。与快速和标准速度的平面器件相比，开关速度为20kHz的超快速沟道型IGBT可以提供最低的总导通损耗和开关功率损耗。同样，对于低压端开关电路，工作在60Hz的标准速度IGBT可以提供最低的功率损耗。

　　这个设计中的开关技术具有如下优势：通过允许高压端和低压端IGBT独立优化实现很高的效率；高压端、同封装的软恢复二极管没有续流时间，从而消除了不必要的开关损耗；低压端IGBT的开关频率只有60Hz，因此导通损耗是这些IGBT的主要因素；没有交叉导通，因为任何时间点的开关都发生在对角的两个器件上(Q1和Q4或Q2和Q3)；不存在总线直通的可能性，因为桥的同一边上的IGBT永远不可能以互补方式开关；跨接低压端IGBT的同封装、超快速、软恢复二极管经过优化可以使续流和反向恢复期间的损耗达到最小。

　　三、IGBT抑或MOSFET

　　在太阳能转换过程中，有各种先进的功率器件可以使用，比如MOSFET、双极结晶体管(BJT)和IGBT。为取得最佳的转换效率和性能，为太阳能逆变器选择正确的功率晶体管极具挑战性，而且非常耗时。
多年来的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的优势，其中包括更强的电流处理能力、用电压(而不是电流)方便地实现栅极控制，以及在封装内集成超快速恢复二极管实现更快的关断时间。 IGBT是一种少数载流子器件，它的关断时间取决于少数载流子重新组合的速度，因此，随着最近工艺技术和器件结构的改进，它的开关特性已得到显著增强。

　　IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构的双极型晶体管 (BJT) 。这种设计让IGBT的栅极可以像MOSFET一样，以电压代替电流来控制开关。作为一种BJT，IGBT的电流处理能力比MOSFET更高。同时，IGBT亦如BJT一样是一种少数载体元件。这意味着IGBT关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来决定。此外，IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压 (Vce(on)) 成反比(如图2所示)。

图2 关闭时间与Vce(on)成反比

　　以图2为例，若IGBT拥有相同的体积和技术，一个超速IGBT比一个标准速度的IGBT拥有更高的Vce(on)。然而，超速IGBT的关闭速度却比标准IGBT快得多。图2反映的这种关系，是通过控制IGBT的少数载体复合率的使用周期以影响关闭时间来实现的。

　　一般说，因IGBT的电流更大（是MOSFET的两倍多），所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方面的考虑外，器件性能可由功率损耗表度，而功率损耗可分为：导通和开关两类。作为以少数载流子为基础的器件，在大电流下，IGBT具有更低的导通电压，也就意味着更低的导通损耗。但MOSFET的开关速度更快，所以开关损耗比IGBT低。因此对于要求更低开关频率且更大电流的应用来说，选择IGBT更为适合而且具备更低成本优势。另一方面，MOSFET有能力满足高频、小电流应用，特别是那些开关频率在100kHz以上的能量逆变器模块的需要。虽然从器件成本角度看，MOSFET比IGBT贵，但其处理更高开关频率的能力将简化输出滤波器的磁设计并将显著缩小输出电感体积。

基于上述原因，更多的制造商因此倾向于在中高水平的能量逆变器中采用IGBT。而据Microsemi公司介绍，该公司生产的MOS8 IGBT在静态和动态测试（最小化的总体功率损耗）方面的优化性能可出色胜任这些应用的要求。另一方面，即便MOSFET的成本是个主要考量，但为实行一个更优方案，也应重新审视采用MOSFET的潜力，诸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具备的领先特性就非常适合太阳能逆变器的设计。

　　四、太阳能逆变器的智能控制

设计太阳能逆变器时要考虑的两个关键因素是效率和谐波失真。效率可分成两个部分：太阳能的效率和逆变器的效率。逆变器的效率在很大程度上取决于设计使用的外部元件，而不是控制器；而太阳能的效率与控制器如何控制太阳能电池板阵列有关。每个太阳