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微型逆變器綜述與英飛凌解決方案

英飛科特電子 ? 來源:jf_47717411 ? 作者:jf_47717411 ? 2024-06-11 12:38 ? 次閱讀

微型逆變器(Micro-inverter)作為組件級(jí)的電力電子設(shè)備(MLPE),能夠充分利用每塊光伏電池板,實(shí)現(xiàn)組件級(jí)的監(jiān)控與保護(hù)。并且由于其易于安裝,保修時(shí)間長(zhǎng),在戶用市場(chǎng)受到越來越多的重視。本文簡(jiǎn)單介紹了微逆的發(fā)展歷程,解析了當(dāng)前常見的兩種微逆拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并提供了非常有競(jìng)爭(zhēng)力的英飛凌解決方案。針對(duì)未來最有前景的基于Cyclo拓?fù)涞奈⒛?,重點(diǎn)介紹了英飛凌的寬禁帶解決方案,為下一代的微逆提供一個(gè)展望的方向。

微逆概述

新能源系統(tǒng)構(gòu)成中,除了集中式和組串式逆變器外,還有一種易于安裝、配置靈活的微型逆變器(Micro-inverter)。顧名思義,微型逆變器的功率較小,因此通常只連接一塊或幾塊太陽能電池板。作為逆變器,微逆需要將光伏板的低壓直流電,轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)所用的交流電。通常一塊光伏板電壓在50V左右,而交流電網(wǎng)電壓往往高達(dá)上百伏,這樣高的電壓/電流變比對(duì)變換器的增益有很高的要求。這時(shí)如果使用普通的非隔離PWM變換器,開關(guān)管工作的占空比會(huì)很大或者很小,變換器的效率很低,功率器件的應(yīng)力也比較大。自然而然地,在變換器中引入耦合電感或者變壓器,通過匝比來實(shí)現(xiàn)電壓匹配成為在微逆中的優(yōu)選方案。

從功能上來說,微逆需要具備快速關(guān)斷(Rapid Shut Down,RSD),最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),逆變(Inverter)三種功能。RSD在2014年在NEC上被提出來,旨在發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)快速切斷光伏電池板與直流母線的連接,保證消防員的安全。MPPT是光伏行業(yè)人員都非常熟悉的,在之前的文章中也有介紹。但與傳統(tǒng)集中式或組串式MPPT電路不同,在微逆中該功能的實(shí)現(xiàn)并不一定采用Boost來升壓,也有使用Buck、全橋、反激等電路的,這主要與后級(jí)電路的多樣性有關(guān)。

微逆的電路拓?fù)?/p>

從電路結(jié)構(gòu)上而言,微型逆變器經(jīng)歷了從多級(jí)式到兩級(jí)式,再到單級(jí)式的歷程[1]。電能從光伏電池板輸出到與交流電網(wǎng)并聯(lián),中間經(jīng)過的轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)越少,效率往往越高。多級(jí)式或者兩級(jí)式微逆如圖1所示,由前級(jí)DC/DC加后級(jí)DC/AC構(gòu)成,前級(jí)DC/DC具備MPPT與升壓功能,將電壓抬升至逆變所需直流母線電壓,后級(jí)DC/AC逆變并網(wǎng)。

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圖1.兩級(jí)型微型逆變器

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圖2.單級(jí)型微型逆變器

兩級(jí)式的微逆還有兩種細(xì)分類型——電壓源型和電流源型。電壓源型控制交流側(cè)的輸出電壓,前級(jí)DC/DC的輸出如圖3是一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓,這種結(jié)構(gòu)的微逆后級(jí)DC/AC工作在高頻狀態(tài)。電流源型的微逆主控量則是電流,其直流側(cè)輸出不再是穩(wěn)定的直流,而是如圖4所示這種帶交流分量的“饅頭波”,后級(jí)的工頻極性轉(zhuǎn)換電路將此饅頭波分正負(fù)輸出,形成并網(wǎng)的正弦波。這種電流源型的微逆相比于電壓型微逆而言,器件的電壓應(yīng)力更小,結(jié)構(gòu)與控制更簡(jiǎn)單,在目前主流的微逆機(jī)型中被廣泛應(yīng)用。

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圖3.電壓源型微逆的DC輸出

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圖4.電流源型微逆的DC輸出

兩級(jí)式微逆的DC/DC

兩級(jí)式的微型逆變器前級(jí)的DC/DC考慮到電壓傳輸比的問題,往往采用圖5和圖6所示的DAB、反激這樣的隔離拓?fù)?。如何?yōu)化這兩種隔離拓?fù)涞臒o源器件設(shè)計(jì),如何實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)以減小開關(guān)損耗提高功率密度,都是微逆中重點(diǎn)研究的內(nèi)容[2]。DAB拓?fù)淇梢杂行Ю米儔浩鞯穆└袑?shí)現(xiàn)ZVS,開關(guān)頻率可以達(dá)到百kHz以上,并且其器件電壓應(yīng)力更低,只是器件數(shù)量更多一些。反激型微逆拓?fù)涓鼮楹?jiǎn)單,但是主動(dòng)管的電壓應(yīng)力較高,如果所用變壓器的漏感較大,則所需主動(dòng)管的耐壓可能高達(dá)電池板電壓的3-4倍。如果設(shè)計(jì)在CCM模式下,一般定頻工作,控制更為簡(jiǎn)單,EMC也更為友好;若是設(shè)計(jì)在BCM或者DCM模式下,一般是變頻工作但能實(shí)現(xiàn)ZVS。當(dāng)然,也有給反激電路增加額外電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的做法??傮w來說,雖然反激電路本身比較簡(jiǎn)單常用,但其在微逆領(lǐng)域的應(yīng)用還有不少值得研究的技術(shù)點(diǎn)。

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圖5.DAB型DC/DC

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圖6.反激型DC/DC

對(duì)于采用DAB的微逆拓?fù)?,英飛凌有表1所示的解決方案。

表1.微逆中的DAB解決方案

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若是采用反激電路作為DC/DC級(jí),表2給出了英飛凌的解決方案。即將推出的150V OptiMOS? 6 相比于上一代的OptiMOS? 5,如圖7所示Rdson降低30%以上,開關(guān)損耗也有較大的降低。既有適用于軟開關(guān)的ISC0x系列,也有適用于硬開關(guān)場(chǎng)合的IPT02x系列。

表2.微逆中的反激電路解決方案

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圖7.OptiMOS? 6的性能提升

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兩級(jí)式微逆的DC/AC電路

如前面所言,電壓型和電流型微逆都有一個(gè)DC/AC電路,只是電流源型所需的是工頻的電路而電壓源型所需是高頻開關(guān)。圖8這種Unfolding電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,MOSFET工作在工頻狀態(tài),主要損耗為導(dǎo)通損耗,600V-950V CoolMOS? P7甚至1200V的IGBT都適用于這種場(chǎng)合。圖9這種全橋電路是典型的電壓源型逆變器,其中一個(gè)橋臂工作在工頻狀態(tài),另一橋臂則高頻開關(guān)以減小輸出電壓的諧波。最優(yōu)化的設(shè)計(jì)自然是根據(jù)工作狀態(tài)的不同為兩橋臂選擇不同的MOSFET,只是也可以從600V-950V CoolMOS? P7進(jìn)行選擇。從拓?fù)湟部梢钥闯觯琔nfolding電路由于器件特性,對(duì)于無功補(bǔ)償?shù)哪芰τ邢?;全橋逆變電路可以雙向運(yùn)行,自然有充足的無功補(bǔ)償能力,但是需要增加額外的LCL濾波器。

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圖8.Unfolding電路

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圖9.全橋DC/AC電路

單級(jí)型微逆

單級(jí)型的微逆的結(jié)構(gòu)如圖2,它沒有直流母線,通過高頻的交-交變換,實(shí)現(xiàn)從低壓直流到高壓交流的能量傳遞[3],當(dāng)下被研究最多的是圖10所示的周波變換器(Cyclo-converter)。由于其變換級(jí)數(shù)少,并且可以在大多數(shù)工況實(shí)現(xiàn)ZVS,其效率可以高達(dá)97.5%以上。但是這種拓?fù)涠鄠€(gè)功能都需要由一級(jí)電路里的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn),這給控制帶來了挑戰(zhàn)。并且由于周波變換器開關(guān)管的工作頻率較高,如何使得大部分工況下的大部分開關(guān)管處在軟開關(guān)狀態(tài),也成為當(dāng)前在Cyclo微型逆變器拓?fù)溲芯恐械臒狳c(diǎn)[4]。

將諧振變換器與Cyclo變換器結(jié)合,又可以得到圖11所示的諧振型Cyclo。這種拓?fù)涑俗匀坏腪VS之外,還能提供開關(guān)頻率、原副邊移相角、橋臂內(nèi)移相角等多控制自由度,為MPPT控制、功率控制以及無功補(bǔ)償提供了控制上的可能。

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圖10.Cyclo Inverter

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圖11.諧振型Cyclo Inverter

對(duì)于Cyclo變換器,英飛凌有多種解決方案。傳統(tǒng)的Si解決方案與DAB方案類似,見表3 Cyclo Inverter的傳統(tǒng)Si解決方案。

表3.Cyclo Inverter的傳統(tǒng)Si解決方案

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英飛凌在收購了GaN System?之后,擁有更齊全的GaN產(chǎn)品路線。GaN作為寬禁帶器件,本身的扁平結(jié)構(gòu)非常適合在微逆中應(yīng)用,并且其開關(guān)損耗很低,幾乎沒有反向恢復(fù)能量,可以將微逆的開關(guān)頻率推到很高,進(jìn)一步減小電感、電容尺寸。特別對(duì)于交流側(cè)的雙向開關(guān),英飛凌即將推出基于GaN的雙向開關(guān)BDS,在單晶圓上實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)一步減小尺寸與封裝成本。

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圖12.BDS示意

表4.Cyclo Inverter的GaN解決方案

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微逆作為一種模塊化組件,有很多值得研究的問題。比如市面上大多數(shù)的微逆都要求有25年的質(zhì)保以匹配組件的壽命,需要去除電解電容,如何高效解耦值得研究;Cyclo Inverter多個(gè)控制自由度如何配合,能夠全范圍ZVS并且有效抑制抑制過零點(diǎn)的電壓尖峰等都有大量學(xué)者和工程師在研究。

審核編輯 黃宇

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