带你了解主流商用组串式太阳能逆变器的拓扑结构

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随着文明程度和人口密度的不断激增，二氧化碳排放速率的不断增加开始变得难以控制。碳排放引起的全球变暖将导致气候恶化，最终破坏地球的生态。因此，作为解决方案，我们需要使用清洁能源，例如风能和太阳能。

太阳能带来的一些好处包括:

• 可再生 - 太阳可以持续不断提供太阳能能源。

• 零碳排放 - 太阳能由太阳能面板产生。

• 运维成本低 - 光伏发电系统建成后，发电成本较低。

组串式逆变器主导太阳能逆变器市场

针对不同的终端应用(住宅、商业、公用事业)，有多种类型的太阳能逆变器(集中式、组串式、微型)。组串式逆变器以其灵活、易于维护的特点，正在成为主流太阳能逆变器类型。组串式光伏逆变器的单机故障对总发电量影响有限，其余逆变器可继续照常工作。同时，更小的尺寸更易于安装，无需重型机械即可完成安装。随着功率器件的不断迭代，单组逆变器的功率水平/功率密度不断提升，单价和体积越来越小，这推动组串式逆变器成为商用逆变器市场的主流选择。

图 1.组串式逆变器(12×225 kVA) 与集中式逆变器 (1×2.5 MVA)

组串式太阳能逆变器典型框图

组串式逆变器系统的主要组件是光伏电池板串或阵列、DC-DC升压转换器、DC-Link电容器和逆变器(DC-AC转换器)。DC-DC级实现两个主要功能，将PV 串的输出电压提升至DC-Link工作电压水平，并实施 MPPT(最大功率点跟踪) 功能，使光伏面板在不同环境和太阳辐照度下产生的功率最大化。逆变器在该系统中起着最重要作用，负责将直流电转换为交流电，用于正常的住宅用电或并网。

图 2.组串式大阳能逆变器典型框图

DC-DC 升压级的主流拓扑结构

1100V 是大型住宅、商业和分布式公用事业规模应用中组串式逆变器的常见直流母线电压。然而，使用 1500V 或更高电压可以节省铜线和开关设备的成本，因为当总输出功率保持不变时电流会降低，这也意味着在范围更广的温度和辐照条件下可以捕获更高的能量。

DC-DC升压级的拓扑结构主要有三种，区别主要在于适用功率段不同。飞跨电容升压和对称升压作为三电平拓扑，可以降低施加到开关的电压，最终获得更好的效率和功率密度。其次，可以选择更小、更轻的电感，因为电感上的纹波电流减少。但是，应该注意额外开关器件带来的成本和驱动问题。

3 通道飞跨电容升压

SiC 混合集成功率模块

特性

• 1000V低V_CE(SAT)快速开关IGBT和1200 V SiC二极管

• 具有低热阻基板的模块

• 提供焊接引脚和压接式引脚选项

• 内部NTC热敏电阻

优势

• 易于组装。更高的输出功率

• 灵活支持不同制造工艺

• 出色的效率和热损耗。输出功率高于 1200V IGBT 解决方案

应用

• 1500 V 组串式工商业用光伏逆变器

SiCMOSFET1200 V, 20mΩ,

TO247-4L

特性

• 最大R_DS(ON)=28mΩ (V_gs=20V, l_d=60A时)

• 高速开关和低电容

• 使用开尔文引脚减少回路电感

• 无铅且符合RoHS标准

应用

• DC-DC/DC-AC

• 大功率转换

DC-AC 逆变器级的主流拓扑结构

逆变器级决定了总效率和输出质量，同样，三电平拓扑结构最有助于为大功率三相逆变器系统带来改进。除了降低开关损耗和半导体要求外，还可以降低 EMI，因为传导 EMI 主要与电流纹波有关。此外，三电平系统可以提供更好的正弦电压波形，这种高质量的输出可以减少电缆的压力和高灵敏度电气设备的风险

图 3.两电平半桥与三电平I-NPC 的比较

两电平系统设计中的 MOSFET 或IGBT 需要承受全总线电压，这将增加大功率大阳能逆变器的成本。此外，高 dV/dt 和 dl/dt 应力会导致不良的总谐波失真(THD) 和输出波形。

单通道I-NPC

SiC 混合集成功率模块

特性

• 1000V低VQE(SAT)用于DC-AC转换的快速开关IGBT和 1200V SiC二极管优化组合

• 具有低热阻基板的模块

• 提供焊接引脚和压接式引脚选项

• 内部 NTC 热敏电阻

优势

• 易于组装，输出功率更高。灵活支持不同制造工艺

• 在正常和无功功率条件下具有出色的效率和热损耗

应用

• 1500 V 组串式工商业用光伏逆变器

2件装半桥全SiC功率集成模块

特性

• 2×1200V SiC MOSFET, R_DS(ON)=10m²

• 低热阻

• 内部 NTC 热敏电阻

优势

• 在更高的电压下，R_DS(ON)进一步降低

• 更高的效率或更高的功率密度

• 提供预涂高可靠性热界面(TIM) 选项

应用

• 三相太阳能逆变器

• 储能系统

仿真支持

安森美(onsemi)应用团队提供即用型SIMetrix 电路，如升压电路、I-NPC,T-NPCA-NPC,飞跨电容升压，为客户提供运行完整仿真所需的一切，让客户能在订购任何硬件之前获得准确数据。请联系当地的销售代表以获取安森美的支持。

图 4.使用安森美提供的模型运行仿真

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