深入剖析太阳能光伏逆变器

发表于：2011-09-29 17:54:59

二、太阳能逆变器的原理及架构

通常把交流电能变换成直流电能的过程称之为整流，相控整流是最常见的交-直流变换过程；而把直流电能变换成交流电能的过程称之为逆变，它是整流的逆过程。在逆变电路中，按照负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电能经过直-交流变换，逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电网上去，称作有源逆变。相应的装置称为有源逆变器，控制角大于90°的相控整流器为常见的有源逆变器。而把直流电能变换为交流电能，直接向非电源负载供电的电路，称之为无源逆变电路，又称为变频器。

逆变器类型有他励逆变器、自励逆变器、脉宽调制（PWM）型逆变器。其中他励逆变器需要外部交流电压源，给晶闸管提供整流电压。他励逆变器主要应用在大功率并网情况下；对于功率低于1MW的光伏发电系统，主要采用自励逆变器方式。自励逆变器不需要外部交流电压源，整流电压由逆变器的一部分储能元件（比如电容）来提供或者通过增加待关断整流阀（像MOSFET或IGBT）的电阻值来实现。输出电压被脉冲调制的自励逆变器被称为脉冲逆变器。这种逆变器通过增加周期内脉冲的切换次数，来降低电压、电流的谐波含量；谐波含量与脉冲切换次数呈正比。目前，并网逆变器的输出控制模式主要有两种：电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出和电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出和电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。

目前，太阳能逆变器已有多种拓扑结构，最常见的是用于单相的半桥、全桥和Heric(Sunways专利)逆变器，以及用于三相的六脉冲桥和中点钳位（NPC）逆变器。太阳能逆变器的典型架构一般采用四个开关的全桥拓扑，如图1所示。

在图1中，Q1和Q3被指定为高压侧IGBT，Q2和Q4则是低压侧IGBT。该逆变器用于在其目标市场的频率和电压条件下，产生单相位正弦电压波形。有些逆变器用于连接净计量效益电网的住宅安装，这就是其中一个目标应用市场，此项应用要求逆变器提供低谐波交流正弦电压，让力可注入电网中。实质上，为保持谐波分量低和功率损耗最小，逆变器的高压端IGBT采用脉宽调制(PWM)，低压端IGBT则以60Hz频率变换电流方向。通过让高压端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM频率和50/60Hz调制方案，输出电感L1和L2在实例中可以做得很小，并且照样能对谐波分量进行高效滤波。与快速和标准速度的平面器件相比，开关速度为20kHz的超快速沟道型IGBT可以提供最低的总导通损耗和开关功率损耗。同样，对于低压端开关电路，工作在60Hz的标准速度IGBT可以提供最低的功率损耗。

这个设计中的开关技术具有如下优势：通过允许高压端和低压端IGBT独立优化实现很高的效率；高压端、同封装的软恢复二极管没有续流时间，从而消除了不必要的开关损耗；低压端IGBT的开关频率只有60Hz，因此导通损耗是这些IGBT的主要因素；没有交叉导通，因为任何时间点的开关都发生在对角的两个器件上(Q1和Q4或Q2和Q3)；不存在总线直通的可能性，因为桥的同一边上的IGBT永远不可能以互补方式开关；跨接低压端IGBT的同封装、超快速、软恢复二极管经过优化可以使续流和反向恢复期间的损耗达到最小。

三、IGBT抑或MOSFET

在太阳能转换过程中，有各种先进的功率器件可以使用，比如MOSFET、双极结晶体管(BJT)和IGBT。为取得最佳的转换效率和性能，为太阳能逆变器选择正确的功率晶体管极具挑战性，而且非常耗时。

多年来的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的优势，其中包括更强的电流处理能力、用电压(而不是电流)方便地实现栅极控制，以及在封装内集成超快速恢复二极管实现更快的关断时间。IGBT是一种少数载流子器件，它的关断时间取决于少数载流子重新组合的速度，因此，随着最近工艺技术和器件结构的改进，它的开关特性已得到显著增强。

IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构的双极型晶体管(BJT)。这种设计让IGBT的栅极可以像MOSFET一样，以电压代替电流来控制开关。作为一种BJT，IGBT的电流处理能力比MOSFET更高。同时，IGBT亦如BJT一样是一种少数载体元件。这意味着IGBT关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来决定。此外，IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压(Vce(on))成反比(如图2所示)。