评判光伏逆变器拓扑结构及功率器件标准

时间：11-16 来源：互联网点击：

技术参数：
Boost 电路由 MOSFET(600V/45mΩ)和 SiC 二极管组成
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
H 桥电路上半桥由 75A/600V IGBT 和 SiC 二极管组成，下半桥由MOSFET(600V/45mΩ)组成
集成了温度检测电阻

单相无变压器光伏逆变器专用模块 flowSOL0-BI 的效率计算

这里我们主要考虑功率半导体的损耗，其他的无源器件，如 Boost 电感，输出滤波电感的损耗不计算在内。

基于这个电路的相关参数，仿真结果如下：

条件：

Pin=2kW
fPWM = 16kHz
VPV-nominal = 300V
VDC = 400V

图 5: boost 电路效率仿真结果 EE=99.6%

图 6: flowSOL-BI 逆变电路效率仿真结果 - EE=99.2%
标准 IGBT 全桥 – EE=97.2% (虚线)

根据仿真结果我们可以看到，模块的效率几乎不随负载的降低而下降。模块总的欧洲效率(Boost+Inverter)可以达到 98.8%。即使加上无源器件的损耗，总的光伏逆变器的效率仍然可以达到 98%。图 6 虚线显示了使用常规功率器件，逆变器的效率变化。可以明显看到，在低负载时，逆变器效率下降很快。

三相无变压器光伏逆变器拓扑结构介绍

大功率光伏逆变器需要使用更多的光伏电池组和三相逆变输出（图 7），最大直流母线电压会达到 1000V。

图 7: 三相无变压器式光伏逆变器功能图
这里标准的应用是使用三相全桥电路。考虑到直流母线电压会达到 1000V，那开关器件就必须使用 1200V 的。而我们知道，1200V 功率器件的开关速度会比 600V 器件慢很多，这就会增加损耗，影响效率。对于这种应用，一个比较好的替代方案是使用中心点钳位(NPC=neutral point clamped)的拓扑结构（图 8）。这样就可以使用 600V 的器件取代 1200V 的器件。

图 8: 三相无变压器 NPC 光伏逆变器原理图
为了尽量降低回路中的寄生电感，最好是把对称的双 Boost 电路和 NPC 逆变桥各自集成在一个模块里。

双 Boost 模块技术参数（图 9）：

双 Boost 电路都是由 MOSFET(600V/45 mΩ)和 SiC 二极管组成
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
模块内部集成温度检测电阻
NPC 逆变桥模块的技术参数（图 10）：

中间换向环节由 75A/600V 的 IGBT 和快恢复二极管组成
上下高频切换环节由 MOSFET(600V/45 mΩ)组成
中心点钳位二极管由 SiC 二极管组成
模块内部集成温度检测电阻

图 10: flowSOL-NPI – NPC 逆变桥
对于这种拓扑结构，关于模块的设计要求基本类似于前文提到的单相逆变模块，唯一需要额外注意的是，无论是双 Boost 电路还是 NPC 逆变桥，都必须保证DC+,DC-和中心点之间的低电感设计。有了这两个模块，就很容易设计更高功率输出光伏逆变器。例如使用两个双Boost 电路并联和三相 NPC 逆变桥就可以得到一个高效率的 10kW 的光伏逆变器。而且这两个模块的管脚设计充分考虑了并联的需求，并联使用非常方便。

图 11: 双 boost 模块并联和三相 NPC 逆变输出模块布局图
针对 1000V 直流母线电压的光伏逆变器，NPC 拓扑结构逆变器是目前市场上效率最高的。图 12 比较了 NPC 模块(MOSFET+IGBT)和使用 1200V 的 IGBT 半桥模块的效率。

图 12: NPC 逆变桥输出效率（实线）和半桥逆变效率（虚线）比较
根据仿真结果，NPC 逆变器的欧效可以达到 99.2%，而后者的效率只有 96.4%.。NPC 拓扑结构的优势是显而易见的

下一代光伏逆变器拓扑的设计思路介绍

目前混合型 H 桥（MOSFET＋IGBT）拓扑已经取得了较高的效率等级。而下一代的光伏逆变器，将会把主要精力集中在以下性能的改善：

效率的进一步提高
无功功率补偿
高效的双向变换模式

单相光伏逆变器拓扑结构

对于单相光伏逆变器，首先讨论如何进一步提高混合型 H 桥拓扑的效率（如图 13）。

图 13: 光伏逆变器的发展－混合型
在图 13 中，上桥臂 IGBT 的开关频率一般设定为电网频率（例如 50Hz），而下桥臂的 MOSFET 则工作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。

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

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