设计一个不同类型的太阳能逆变器

一家研究公司[1]预测表明，太阳能装机数量的增长将有可能在2015年实现历史性的25%；而全球太阳能的发电量也将从2014年的40GW猛增至50GW。在每一台太阳能能量采集器中，其中一个关键终端设备就是太阳能逆变器。太阳能逆变器，或者任何一种具有相似功能的器件，将接收直流 (DC) 输入，并且将其转换为可用于住宅或商业用途的标准电器和电子元器件的交流 (AC) 输出。虽然可以应用于任何高功率直流源，逆变器增长的最大部分仍然是可再生能源领域，特别是太阳能领域的应用。

当安装在住宅或公司中时，太阳能逆变器可以连接至电网，来抵消一部分能耗，或者，在某些情况下甚至将能量传回电网。为了实现这一目的，必须将其AC输出与电网电压同步，或者符合特定的安全要求，比如说在电网电压消失时关闭AC输出。我们可不希望工人在暴风雨之后维修高压线路时向电网输电。

 

 

传统上，一系列的太阳能板被连接至一个串型逆变器。这些逆变器接受大约600V DC（在使用住宅用串型逆变器的情况下）输入，等于几千瓦的太阳能装机容量。对于一个太阳能电站来说，一个逆变器需要具有合适的尺寸，但是将转换集中在一起（中央逆变器），并且在设计正确时，可以使得整个太阳能采集器系统的安装成本更低。另外一个拓扑是大小与单个太阳能板相匹配的太阳能微型逆变器，或者大约为200W至300W。通过分步执行逆变过程，太阳能阵列可以适应复杂程度高很多的屋顶，并且能够实现更小阵列的安装，而通常情况下，这些较小的阵列无法达到串型逆变器的输入电压。

这些不同类型太阳能逆变器的核心是几个重要的子系统：

数字控制器

一个典型的太阳能逆变器包括一个连接至电网，用于DC-AC的全桥，以及一个连接至太阳能板，增强逆变器输入电压，以使其能够将电力馈入电网的DC-DC级。太阳能逆变器的目的是从太阳能板中提取最大功率，并且将洁净能源馈入电网。为了确保这一点，功率级电压和电流必须被准确采样，并且需要为DC-AC和DC-DC中的电源开关准确生成脉宽调制 (PWM)。通过更快地感测线路负载变化，一个数字控制器可以更加高效，并且会由于更高工作频率而具有更大的功率密度，此外，由于我们使用的是一个完整的中央处理器元件内核，数字控制器能够提供某些用于系统级集成的其它功能。

隔离

在很多功率电子元件设计中，克服电压限制是一个巨大问题。为了感测和控制这些电压，我们使用电容隔离器件。这些器件使得高频信号能够穿过功率边界，但是阻断高压DC。这项隔离技术具有较长的使用寿命和低电磁辐射，从而使其非常适合于工业应用。在这些逆变器中，我们还使用隔离式电源，这样的话，我们可以有效地在隔离边界的另一侧为电子元器件供电，并且为高压MOSFET和IGBT供电，以控制电源路径。

栅极驱动器

为了对电源路径进行控制，我们使用MOSFET和IGBT。这些器件的设计目的是为了能够开关极高电压和电流，这使得它们成为逆变器中数字降压转换器的理想选择。使用这些器件的关键在于正确地驱动它们。输入运行为电容器，每次开关FET时，必须对电容器进行充放电。当按照逆变器所要求的高速度来开关这些器件时，会需要几安培的电流来驱动它们。如果开关速度不够快，转换级的效率会受到巨大损失。为了达到这一目的，可以使用专用驱动器，这些驱动器将来自控制器的数字PWM转换为FET所需的电流。

其中一个即将出现的趋势就是监视和控制住宅/商用太阳能装机数量的能源生产统计数据。在太阳能采集器系统中，增加ZigBee®, 6LowPAN等低功率无线连通性标准，或者诸如电力线通信 (PLC) 的有线通信变得越来越常见。一旦被连接至回程网络，将输入传至云端，用户可以在任何地方轻易地查看这些数据。此外，通信系统可以被用于系统监视，以及警告拥有者任何可能即将出现的养护工作。

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