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吉辰蓄電池JC-12V-33AH 12V33AH型號規(guī)格營銷中心
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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*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*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(太陽能電池)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 直流電壓轉(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*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*級的全橋變換器的直流直流變換成交流(AC)電壓。 其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點繼電器開關(guān)連接到交流電電網(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，交流電交流電壓由升壓級輸出的直流電壓直接產(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)，把升壓和交流電交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個拓撲中。
引言和摘要
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*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*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(太陽能電池)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 直流電壓轉(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*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*級的全橋變換器的直流直流變換成交流(AC)電壓。 其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點繼電器開關(guān)連接到交流電電網(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，交流電交流電壓由升壓級輸出的直流電壓直接產(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)，把升壓和交流電交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個拓撲中。 原文位置
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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(yù)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(dāng)。 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， 以成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設(shè)計準(zhǔn)則。 原文位置
至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設(shè)計準(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)通。 MOSFET 的導(dǎo)通損耗可根據(jù)導(dǎo)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(dāng)額定電壓從 600V 變化到 1200V 時， MOSFET 的傳導(dǎo)損耗會大大增加， 因此， 即使額定 RDS(ON)相當(dāng)， 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*的導(dǎo)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(dāng)?shù)倪x擇。 較*的 IGBT 技術(shù)， 比如 NPT戰(zhàn)壕和 NPT領(lǐng)域停止，都針對降低導(dǎo)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(dǎo)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和的 EOFF，比較采用更*技術(shù)器件的 EOFF 為 80uJ和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(dǎo)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(dǎo)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，需要秘密行動？ 或碳硅二極管這樣的快速恢復(fù)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(fù)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(dǎo)致額外的損耗。 在這里， 新推出的秘密行動II 二極管 FFP08S60S 可以提供更高的性能。 當(dāng) VDD=390V 、 ID=8A 、 di/dt=200A和我們，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秘密行動二極管， 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(biāo)準(zhǔn)全橋結(jié)構(gòu)(圖 2)。圖中若左上方和右下方的開關(guān)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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， 而器件被切換到 50Hz 低頻下。
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(dǎo)通時會承受其它器件的全部反向恢復(fù)電流， 因此快速恢復(fù)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(fù)器件其導(dǎo)通損耗很低。 當(dāng)這種器件在 50Hz 下進行轉(zhuǎn)換時， 無需使用快速恢復(fù)特性。 這些器件具有出色的 dv/dt 和 di/dt 特性， 比較標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(fù)超結(jié)器件。
對于1200V 的拓撲及全橋結(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(dāng)技術(shù)需要二極管時，秘密行動II 、 Hyperfast？ II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。