作者：安森美

太陽(yáng)能逆變器種類豐富，可按類型（集中式、組串式、微型）或終端應(yīng)用場(chǎng)景（住宅、商業(yè)、公用事業(yè)）進(jìn)行劃分。目前，組串式逆變器因具備靈活性高、易于安裝的特點(diǎn)而應(yīng)用最為廣泛。隨著功率器件的不斷迭代升級(jí)，單臺(tái)逆變器的功率水平與功率密度持續(xù)提升，而單價(jià)和尺寸卻不斷下降，這使其成為太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

集中式太陽(yáng)能逆變器通常應(yīng)用于公用事業(yè)電站，具有超大容量。但受安裝地點(diǎn)限制，近年來(lái)其新增裝機(jī)容量已被組串式太陽(yáng)能逆變器超越。微型太陽(yáng)能逆變器主要用于住宅發(fā)電，同時(shí)也廣泛服務(wù)于城市基礎(chǔ)設(shè)施供電，例如路燈、交通信號(hào)燈等場(chǎng)景。

太陽(yáng)能逆變器的核心是功率轉(zhuǎn)換部分，具體包含 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器與 DC-AC 逆變器。隨著功率器件的持續(xù)發(fā)展，以及終端產(chǎn)品催生出的新需求，諸多新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。深入了解這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功率產(chǎn)品，有助于更透徹地理解整個(gè)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。

框圖 - 光伏逆變器

下面的框圖展示了由安森美 (onsemi)打造的光伏逆變器解決方案。 該框圖呈現(xiàn)了光伏逆變器所采用的電源管理和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)。安森美提供品類齊全的產(chǎn)品， 涵蓋分立碳化硅 (SiC) 器件、 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、 功率模塊、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器及電源管理控制器， 助力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率。

市場(chǎng)信息和趨勢(shì)

碳化硅替代品

碳化硅 (SiC) 有助于提供更高的效率以推進(jìn)當(dāng)前技術(shù)趨勢(shì)。 與傳統(tǒng)的硅基 MOSFET/IGBT 相比，SiC 器件在高電壓場(chǎng)景下的優(yōu)勢(shì)尤為突出：高壓器件可簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 無(wú)需使用多電平轉(zhuǎn)換器； SiC 逆變器解決方案的損耗低于 IGBT 解決方案；同時(shí)， SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度更快， 能夠縮小無(wú)源器件（尤其是電感） 的尺寸。 這兩方面因素共同提升了功率密度， 使相同尺寸和重量的器件可實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。

不過(guò)， 實(shí)際應(yīng)用中必須在成本與性能之間進(jìn)行權(quán)衡， 并結(jié)合具體需求來(lái)選擇最合適的解決方案。

IGBT 和 SiC 二極管

SiC 二極管替代方案的應(yīng)用正愈發(fā)普遍， 尤其在 DC-DC 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)， 原因有三：其一， 成本已降至合理水平；其二，無(wú)需對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行大幅改動(dòng)；其三， 也是最重要的一點(diǎn)， 能顯著提升系統(tǒng)性能。 此外， 工作頻率的提高還可縮小無(wú)源器件的尺寸。

在大功率產(chǎn)品（約 200kW 以上） 中， IGBT 仍是首選。 一方面， IGBT 在大電流場(chǎng)景下表現(xiàn)優(yōu)異， 且這類系統(tǒng)對(duì)工作開(kāi)關(guān)頻率的要求不高， 因此 IGBT 關(guān)斷速度慢的問(wèn)題不會(huì)造成太大影響。 另一方面， 全 SiC 系統(tǒng)需要全新設(shè)計(jì)， 且成本高昂。 例如， 基于 IGBT 的轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電路與 SiC 系統(tǒng)不兼容；由于 SiC 元件的短路耐受時(shí)間 (SCWT) 短于 IGBT，還需重新設(shè)計(jì)保護(hù)方案。

更高的母線電壓

對(duì)大功率的需求持續(xù)增長(zhǎng)， 在同等功率條件下， 采用 1500V 組串替代 1100V 組串時(shí)， 因電流更低而能夠降低互聯(lián)成本。 為順應(yīng)此類趨勢(shì)， 更高電壓等級(jí)的開(kāi)關(guān)器件應(yīng)運(yùn)而生。 無(wú)論是選用高壓開(kāi)關(guān)器件， 還是采用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 都能顯著提升光伏逆變器的工作功率。 關(guān)于 1500V 逆變器與 1100V 逆變器的對(duì)比， 詳見(jiàn)后文。

表 1： 1500V（型號(hào)-2）與 1100V 光伏逆變器的對(duì)比

公用事業(yè)級(jí)解決方案

300 kW+ 光伏組串式逆變器 - 公用事業(yè)級(jí)解決方案

安森美發(fā)布了采用 F5BP 封裝的新型 Si/SiC 混合功率集成模塊 (PIM)， 可為公用事業(yè)級(jí)光伏組串式逆變器及儲(chǔ)能系統(tǒng)提升 15% 的功率輸出。這些模塊能夠提高功率密度與效率， 使光伏逆變器的功率從 300kW 提升至 350kW。 這意味著， 對(duì)于一座 1 吉瓦的光伏電站而言， 每小時(shí)可額外節(jié)省近 2 兆瓦的電力。 此外， 新型模塊憑借更高的功率密度與效率， 減少了所需模塊的數(shù)量， 將元件成本降低 25% 以上。

該系列模塊集成了先進(jìn)元件， 包括 1050V FS7 型 IGBT 與 1200V D3 EliteSiC 二極管， 與前代產(chǎn)品相比， 功率損耗降低高達(dá) 8%， 開(kāi)關(guān)損耗減少 15%。 這些 PIM 模塊在逆變器部分采用創(chuàng)新的 I-NPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 在升壓部分則采用飛跨電容拓?fù)洹?此外， 它們采用先進(jìn)的直接鍵合銅 (DBC) 基板， 可大幅減少雜散電感和熱阻。 這種設(shè)計(jì)將散熱器的熱阻降低了 9.3%， 有助于在高負(fù)載下維持較低的工作溫度， 進(jìn)而提升整體可靠性。

圖 1： 300 kW+ 光伏組串式逆變器原理圖

圖 2： F5BP 與 F5 的熱性能

Si/SiC 混合模塊， F5BP NXH600N105H7F5P2HG

特性

-I 型中性點(diǎn)鉗位三電平逆變器模塊

-1050V 場(chǎng)截止 7 型 IGBT 和 1200V SiC 二極管

-高效率、高功率密度及出色可靠性

-低熱阻底板• 低電感布局， 內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

優(yōu)勢(shì)

-系統(tǒng)效率高達(dá) 99%

-減少模塊數(shù)量，簡(jiǎn)化 PCB 設(shè)計(jì)并降低系統(tǒng)成本

應(yīng)用

-1500 V 組串式工商業(yè)用光伏逆變器

圖 3： F5BP 封裝PIM60 112x62（壓接式）