评判光伏逆变器拓扑结构及功率器件标准

对于传统电力电子装置的设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。因为对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分（图1）。

图 1: 欧洲效率计算比重

因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率。欧效的改善所带来的经济效益也很容易通过计算得到。例如以一个额定功率 3kw 的光伏逆变器为例，根据现在市场上的成本估算，光伏发电每千瓦安装成本大约需要 4000 欧元[2]，那也就意味着光伏逆变器每提高欧效 1%就可以节省 120 欧元。提高光伏逆变器的欧洲效率带来的经济效益是显而易见的，“不惜成本”追求更高的欧效也成为现在光伏逆变器发展的趋势。

功率器件的选型

在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素，IGBT 是最多被使用的器件。因为 IGBT 导通压降的非线性特性使得 IGBT 的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言，IGBT 的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时，IGBT 的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反，MOSFET 的导通压降是线性的，在轻载情况下具有更低的导通压降，而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力，MOSFET 成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提高欧效后的巨大经济回报，最新的比较昂贵的器件，如 SiC 二极管，也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中，SiC 肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗，降低电磁干扰。

光伏逆变器的设计目标

对于无变压器式光伏逆变器，它的主要设计目标为：

·对太阳能电池输入电压进行最大功率点跟踪，从而得到最大的输入功率
·追求光伏逆变器最大欧效
·低的电磁干扰

为了得到最大输入功率，电路必须具备根据不同太阳光条件自动调节输入电压的功能，最大功率点一般在开环电压的 70%左右，当然这和具体使用的光伏电池的特性也有关。典型的电路是通过一个 boost 电路来实现。然后再通过逆变器把直流电逆变为可并网的正弦交流电。

单相无变压器式光伏逆变器拓扑介绍

拓扑结构的选择和光伏逆变器额定输出功率有关。对于 4kw 以下的光伏逆变器，通常选用直流母线不超过 500V，单相输出的拓扑结构。

图 2: 单相无变压器式光伏逆变器功能图

这个功能（图 2）可以通过以下的原理图实现（图 3）。

图 3: 单相无变压器式光伏逆变器原理图

Boost 电路通过对输入电压的调整实现最大功率点跟踪。H 桥逆变器把直流电逆变为正弦交流电注入电网。上半桥的 IGBT 作为极性控制器，工作在 50HZ，从而降低总损耗和逆变器的输出电磁干扰。下半桥的 IGBT 或者 MOSFET 进行PWM 高频切换，为了尽量减小 Boost 电感和输出滤波器的大小，切换频率要求尽量高一些，如 16KHz。我们推荐使用功率模块来设计光伏逆变器，因为把图 3 拓扑结构上的所有器件集成到一个模块里面可以提供以下优点：

安装简单，可靠
研发设计周期短，可以更快地把产品推向市场
更好的电气性能

而对于模块的设计，我们必须保证：

1. 直流母线环路低电感设计

为了实现这个目标，我们必须同时降低模块内部和外部的寄生电感。为了降低模块内部的寄生电感，必须优化模块内部的绑定线，管脚布置以及内部走线。为了降低模块外部寄生电感，我们必须保证在满足安全间距的前提下，Boost 电路和逆变桥电路的直流母线正负两端尽量靠近。

2. 给快速开关管配置专有的驱动管脚

开关管在开关过程中，绑定线的寄生电感会造成驱动电压的降低。从而导致开关损耗的增加，甚至开关波形的震荡。在模块内部，通过给每个开关管配置专有的驱动管脚（直接从芯片上引出），这样就可以保证在驱动环路中不会有大电流流过，从而保证驱动回路的稳定可靠。这种解决方案目前只有功率模块可以实现，单管 IGBT 还做不到。

图 4 显示了 Vincotech 公司最新推出的光伏逆变器专用模块 flowSOL-BI（P896-E01），它集成了上面所说的优点：

图 4: flowSOL-BI – boost 电路和全桥逆变电路