光伏逆变器拓扑结构及设计思路

　　1 引言

　　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[1]。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(见图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。欧洲效率是一个新的参数，主要是针对光伏逆变器提出来的。由于太阳光在不同时间，强度是不一样的，所以光伏逆变器其实并不会一直工作在额定功率下，更多的是工作在轻负载的时候。所以衡量光伏逆变器的效率，不能完全以额定功率下的效率来衡量。所以欧洲人就想出来了一个新的参数–欧洲效率来衡量。欧洲效率的计算方法如表1。

　　欧洲效率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(光伏发电现在的成本大概在每千瓦4000欧元，或者说每瓦4欧元，包括太阳能电池和光伏逆变器，对于一个3kw的发电装置，如果逆变器效率提高了1%，也就是说多发了30w，那么成本就可以节省4×30=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。

　　2 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。

　　3 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：

　　(1) 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;

　　(2) 追求光伏逆变器最大欧效;

　　(3) 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。

　　4 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。

　　这个功能(见图2)可以通过以下的原理图实现(见图3)。

　　图2 单相无变压器式光伏逆变器功能图

　　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。

　　4.1 单相无变压器式光伏逆变器的优点

　　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：

　　(1) 安装简单，可靠;

　　(2) 研发设计周期短，可以更快地把产品推向市场;

　　(3) 更好的电气性能。

　　4.2 对于模块设计，必需要达到的指标

　　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

　　4.3 技术参数

　　(1) boost电路由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;

　　(4) 集成了温度检测电阻。

　　5 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。

　　根据图5、6的仿真结果可以看到，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。

　　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)

　　6 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(见图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箝位(npc=neutral point clamped)的拓扑结构(见图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。

　　(1) 双boost模块技术参数(见图9)

　　图9 flowsol-npb—对称双boost电路

　　●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。

　　(2) npc逆变桥模块的技术参数(见图10)

　　图10 flowsol-npi -npc逆变桥

　　●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;

　　●中心点箝位二极管由sic二极管组成;

　　●模块内部集成温度检测电阻。

　　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是双boost模块并联和三相npc逆变输出模块布局图。

　　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。

　　7 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：

　　(1) 效率的进一步提高;

　　(2) 无功功率补偿;

　　(3) 高效的双向变换模式。

　　7.1 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(见图13)。

　　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。

　　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