太陽(yáng)能逆變器種類(lèi)豐富，可按類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(xiàn)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(lèi)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)