提高太陽能逆變器的轉(zhuǎn)換效率的解決方案

?I.　引言/摘要

??? 由于對可再生能源的需求，太陽能逆變器 (光電逆變器) 的市場正在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。本文對這些逆變器中采用的功率電路進行了考察，并推薦了針對開關(guān)和整流器件的最佳選擇。

??? 光電逆變器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，有三種不同的逆變器可供選擇。太陽光照射在通過串聯(lián)方式連接的太陽能模塊上，每一個模塊都包含了一組串聯(lián)的太陽能電池? (Solar Cell)單元。太陽能模塊產(chǎn)生的直流 (DC) 電壓在幾百伏的數(shù)量級，具體數(shù)值根據(jù)模塊陣列的光照條件、電池的溫度及串聯(lián)模塊的數(shù)量而定。

??? 這類逆變器的首要功能是把輸入的 DC電壓轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定的值。該功能通過升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，并需要升壓開關(guān)和升壓二極管。

??? 在第一種結(jié)構(gòu)中，升壓級之后是一個隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個全橋變換器是用來從第一級的全橋變換器的直流DC變換成交流 (AC) 電壓。其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點繼電器開關(guān)連接到AC電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之前被濾波，目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網(wǎng)隔離。

??? 第二種結(jié)構(gòu)是非隔離方案。其中，AC交流電壓由升壓級輸出的DC電壓直接產(chǎn)生。

??? 第三種結(jié)構(gòu)利用功率開關(guān)和功率二極管的創(chuàng)新型拓撲結(jié)構(gòu)，把升壓和AC交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個專用拓撲中。

圖1：太陽能逆變器系統(tǒng)原理示意圖

??? 盡管太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。在德國，安裝在朝南屋頂上的3kW串聯(lián)模塊預計每年可發(fā)電 2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發(fā)電25kWh。而利用額外的太陽能模塊產(chǎn)生這25kWh的費用與增加一個逆變器相當。由于效率從95% 提高到 96% 不會使到逆變器的成本加倍，故對更高效的逆變器進行投資是必然的選擇。對新興設(shè)計而言，以最具成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設(shè)計準則。

??? 至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設(shè)計準則。更高的效率可以降低負載周期上的溫度波動，從而提高可靠性，因此，這些準則實際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會提高可靠性。

??? 圖1所示的所有拓撲都需要快速轉(zhuǎn)換的功率開關(guān)。升壓級和全橋變換級需要快速轉(zhuǎn)換二極管。此外，專門為低頻 (100Hz) 轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開關(guān)對這些拓撲也很有用處。對于任何特定的硅技術(shù)，針對快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開關(guān)比針對低頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用優(yōu)化的開關(guān)具有更高的導通損耗。
????? II.用于升壓級的開關(guān)和二極管

??? 升壓級一般設(shè)計為連續(xù)電流模式轉(zhuǎn)換器。根據(jù)逆變器所采用的陣列中太陽能模塊的數(shù)量，來選者使用600V還是1200V的器件。

??? 功率開關(guān)的兩個選擇是MOSFET和 IGBT。一般而言，MOSFET比IGBT可以工作在更高的開關(guān)頻率下。此外，還必須始終考慮體二極管的影響：在升壓級的情況下并沒有什么問題，因為正常工作模式下體二極管不導通。MOSFET的導通損耗可根據(jù)導通阻抗RDS(ON)來計算，對于給定的MOSFET 系列，這與有效裸片面積成比例關(guān)系。當額定電壓從600V 變化到1200V時，MOSFET的傳導損耗會大大增加，因此，即使額定RDS(ON) 相當，1200V的 MOSFET也不可用或是價格太高。

??? 對于額定600V的升壓開關(guān)，可采用超結(jié)MOSFET。對高頻開關(guān)應(yīng)用，這種技術(shù)具有最佳的導通損耗。目前市面上有采用TO-220封裝、RDS(ON) 值低于100毫歐的MOSFET和采用TO-247封裝、RDS(ON) 值低于50毫歐的MOSFET。

??? 對于需要1200V功率開關(guān)的太陽能逆變器，IGBT是適當?shù)倪x擇。較先進的IGBT技術(shù)，比如NPT Trench 和 NPT Field Stop，都針對降低導通損耗做了優(yōu)化，但代價是較高的開關(guān)損耗，這使得它們不太適合于高頻下的升壓應(yīng)用。

??? 飛兆半導體在舊有NPT平面技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種可以提高高開關(guān)頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有43uJ/A的EOFF ，比較采用更先進技術(shù)器件的EOFF為80uJ/A，但要獲得這種性能卻非常困難。FGL40N120AND器件的缺點在于飽和壓降VCE(SAT)? (3.0V 相對于125oC的 2.1V) 較高，不過它在高升壓開關(guān)頻率下開關(guān)損耗很低的優(yōu)點已足以彌補這一切。該器件還集成了反并聯(lián)二極管。在正常升壓工作下，該二極管不會導通。然而，在啟動期間或瞬變情況下，升壓電路有可能被驅(qū)使進入工作模式，這時該反并聯(lián)二極管就會導通。由于IGBT本身沒有固有的體二極管，故需要這種共封裝的二極管來保證可靠的工作。

??? 對升壓二極管，需要Stealth? 或碳硅二極管這樣的快速恢復二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。不過目前它們的價格都很高昂。

??? 在選擇升壓二極管時，必須考慮到反向恢復電流 (或碳硅二極管的結(jié)電容) 對升壓開關(guān)的影響，因為這會導致額外的損耗。在這里，新推出的 Stealth II 二極管 FFP08S60S可以提供更高的性能。當VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為 100oC時，計算得出的開關(guān)損耗低于FFP08S60S的參數(shù)205mJ。而采用ISL9R860P2 Stealth 二極管，這個值則達 225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關(guān)頻率下的效率。

??? III.　用于橋接和專用級的開關(guān)和二極管

??? 濾波之后，輸出橋產(chǎn)生一個50Hz的正弦電壓及電流信號。一種常見的實現(xiàn)方案是采用標準全橋結(jié)構(gòu) (圖2)。圖中若左上方和右下方的開關(guān)導通，則在左右終端之間加載一個正電壓；右上方和左下方的開關(guān)導通，則在左右終端之間加載一個負電壓。

??? 對于這種應(yīng)用，在某一時段只有一個開關(guān)導通。一個開關(guān)可被切換到PWM高頻下，另一開關(guān)則在50Hz低頻下。由于自舉電路依賴于低端器件的轉(zhuǎn)換，故低端器件被切換到PWM高頻下，而高端器件被切換到50Hz低頻下。

圖2：MOSFET全橋

??? 這應(yīng)用采用了600V的功率開關(guān)，故600V超結(jié)MOSFET非常適合這個高速的開關(guān)器件。由于這些開關(guān)器件在開關(guān)導通時會承受其它器件的全部反向恢復電流，因此快速恢復超結(jié)器件如600V FCH47N60F是十分理想的選擇。它的RDS(ON) 為73毫歐，相比其它同類的快速恢復器件其導通損耗很低。當這種器件在50Hz下進行轉(zhuǎn)換時，無需使用快速恢復特性。這些器件具有出色的dv/dt和di/dt特性，比較標準超結(jié)MOSFET可提高系統(tǒng)的可靠性。

??? 另一個值得探討的選擇是采用FGH30N60LSD器件。它是一顆飽和電壓VCE(SAT) 只有1.1V的30A/600V IGBT。其關(guān)斷損耗 EOFF非常高，達10mJ ，故只適合于低頻轉(zhuǎn)換。一個50毫歐的MOSFET在工作溫度下導通阻抗RDS(ON) 為100毫歐。因此在11A時，具有和IGBT的VCE(SAT) 相同的VDS。由于這種IGBT基于較舊的擊穿技術(shù)，VCE(SAT) 隨溫度的變化不大。因此，這種IGBT可降低輸出橋中的總體損耗，從而提高逆變器的總體效率。

??? FGH30N60LSD IGBT在每半周期從一種功率轉(zhuǎn)換技術(shù)切換到另一種專用拓撲的做法也十分有用。IGBT在這里被用作拓撲開關(guān)。在較快速的轉(zhuǎn)換時則使用常規(guī)及快速恢復超結(jié)器件。

??? 對于1200V的專用拓撲及全橋結(jié)構(gòu)，前面提到的FGL40N120AND是非常適合于新型高頻太陽能逆變器的開關(guān)。當專用技術(shù)需要二極管時，Stealth II、Hyperfast? II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。