微型逆变器综述与英飞凌解决方案-电子发烧友网

微型逆变器（Micro-inverter）作为组件级的电力电子设备（MLPE），能够充分利用每块光伏电池板，实现组件级的监控与保护。并且由于其易于安装，保修时间长，在户用市场受到越来越多的重视。本文简单介绍了微逆的发展历程，解析了当前常见的两种微逆拓扑结构，并提供了非常有竞争力的英飞凌解决方案。针对未来最有前景的基于Cyclo拓扑的微逆，重点介绍了英飞凌的宽禁带解决方案，为下一代的微逆提供一个展望的方向。

微逆概述

在新能源系统构成中，除了集中式和组串式逆变器外，还有一种易于安装、配置灵活的微型逆变器（Micro-inverter）。顾名思义，微型逆变器的功率较小，因此通常只连接一块或几块太阳能电池板。作为逆变器，微逆需要将光伏板的低压直流电，转换为当地电网所用的交流电。通常一块光伏板电压在50V左右，而交流电网电压往往高达上百伏，这样高的电压/电流变比对变换器的增益有很高的要求。这时如果使用普通的非隔离PWM变换器，开关管工作的占空比会很大或者很小，变换器的效率很低，功率器件的应力也比较大。自然而然地，在变换器中引入耦合电感或者变压器，通过匝比来实现电压匹配成为在微逆中的优选方案。

从功能上来说，微逆需要具备快速关断(Rapid Shut Down,RSD)，最大功率点跟踪(MPPT)，逆变(Inverter)三种功能。RSD在2014年在NEC上被提出来，旨在发生火灾等灾害时快速切断光伏电池板与直流母线的连接，保证消防员的安全。MPPT是光伏行业人员都非常熟悉的，在之前的文章中也有介绍。但与传统集中式或组串式MPPT电路不同，在微逆中该功能的实现并不一定采用Boost来升压，也有使用Buck、全桥、反激等电路的，这主要与后级电路的多样性有关。

微逆的电路拓扑

从电路结构上而言，微型逆变器经历了从多级式到两级式，再到单级式的历程[1]。电能从光伏电池板输出到与交流电网并联，中间经过的转换级数越少，效率往往越高。多级式或者两级式微逆如图1所示，由前级DC/DC加后级DC/AC构成，前级DC/DC具备MPPT与升压功能，将电压抬升至逆变所需直流母线电压，后级DC/AC逆变并网。

图1.两级型微型逆变器

图2.单级型微型逆变器

两级式的微逆还有两种细分类型——电压源型和电流源型。电压源型控制交流侧的输出电压，前级DC/DC的输出如图3是一个稳定的直流电压，这种结构的微逆后级DC/AC工作在高频状态。电流源型的微逆主控量则是电流，其直流侧输出不再是稳定的直流，而是如图4所示这种带交流分量的“馒头波”，后级的工频极性转换电路将此馒头波分正负输出，形成并网的正弦波。这种电流源型的微逆相比于电压型微逆而言，器件的电压应力更小，结构与控制更简单，在目前主流的微逆机型中被广泛应用。

图3.电压源型微逆的DC输出

图4.电流源型微逆的DC输出

两级式微逆的DC/DC

两级式的微型逆变器前级的DC/DC考虑到电压传输比的问题，往往采用图5和图6所示的DAB、反激这样的隔离拓扑。如何优化这两种隔离拓扑的无源器件设计，如何实现软开关以减小开关损耗提高功率密度，都是微逆中重点研究的内容[2]。DAB拓扑可以有效利用变压器的漏感实现ZVS，开关频率可以达到百kHz以上，并且其器件电压应力更低，只是器件数量更多一些。反激型微逆拓扑更为简单，但是主动管的电压应力较高，如果所用变压器的漏感较大，则所需主动管的耐压可能高达电池板电压的3-4倍。如果设计在CCM模式下，一般定频工作，控制更为简单，EMC也更为友好；若是设计在BCM或者DCM模式下，一般是变频工作但能实现ZVS。当然，也有给反激电路增加额外电路来实现软开关的做法。总体来说，虽然反激电路本身比较简单常用，但其在微逆领域的应用还有不少值得研究的技术点。

图5.DAB型DC/DC

图6.反激型DC/DC

对于采用DAB的微逆拓扑，英飞凌有表1所示的解决方案。

表1.微逆中的DAB解决方案

若是采用反激电路作为DC/DC级，表2给出了英飞凌的解决方案。即将推出的150V OptiMOS™ 6 相比于上一代的OptiMOS™ 5，如图7所示Rdson降低30%以上，开关损耗也有较大的降低。既有适用于软开关的ISC0x系列，也有适用于硬开关场合的IPT02x系列。

表2.微逆中的反激电路解决方案

图7.OptiMOS™ 6的性能提升

两级式微逆的DC/AC电路

如前面所言，电压型和电流型微逆都有一个DC/AC电路，只是电流源型所需的是工频的电路而电压源型所需是高频开关。图8这种Unfolding电路结构简单，MOSFET工作在工频状态，主要损耗为导通损耗，600V-950V CoolMOS™ P7甚至1200V的IGBT都适用于这种场合。图9这种全桥电路是典型的电压源型逆变器，其中一个桥臂工作在工频状态，另一桥臂则高频开关以减小输出电压的谐波。最优化的设计自然是根据工作状态的不同为两桥臂选择不同的MOSFET，只是也可以从600V-950V CoolMOS™ P7进行选择。从拓扑也可以看出，Unfolding电路由于器件特性，对于无功补偿的能力有限；全桥逆变电路可以双向运行，自然有充足的无功补偿能力，但是需要增加额外的LCL滤波器。

图8.Unfolding电路

图9.全桥DC/AC电路

单级型微逆

单级型的微逆的结构如图2，它没有直流母线，通过高频的交-交变换，实现从低压直流到高压交流的能量传递[3]，当下被研究最多的是图10所示的周波变换器(Cyclo-converter)。由于其变换级数少，并且可以在大多数工况实现ZVS，其效率可以高达97.5%以上。但是这种拓扑多个功能都需要由一级电路里的高频开关实现，这给控制带来了挑战。并且由于周波变换器开关管的工作频率较高，如何使得大部分工况下的大部分开关管处在软开关状态，也成为当前在Cyclo微型逆变器拓扑研究中的热点[4]。

将谐振变换器与Cyclo变换器结合，又可以得到图11所示的谐振型Cyclo。这种拓扑除了自然的ZVS之外，还能提供开关频率、原副边移相角、桥臂内移相角等多控制自由度，为MPPT控制、功率控制以及无功补偿提供了控制上的可能。

图10.Cyclo Inverter

图11.谐振型Cyclo Inverter

对于Cyclo变换器，英飞凌有多种解决方案。传统的Si解决方案与DAB方案类似，见表3 Cyclo Inverter的传统Si解决方案。

表3.Cyclo Inverter的传统Si解决方案

英飞凌在收购了GaN System™之后，拥有更齐全的GaN产品路线。GaN作为宽禁带器件，本身的扁平结构非常适合在微逆中应用，并且其开关损耗很低，几乎没有反向恢复能量，可以将微逆的开关频率推到很高，进一步减小电感、电容尺寸。特别对于交流侧的双向开关，英飞凌即将推出基于GaN的双向开关BDS，在单晶圆上实现可以进一步减小尺寸与封装成本。