实现更高效太阳逆变器设计
20090507 112449 文章源：电子工程专辑 说两句 (0)
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· 导读 源需求断增长报告称中国2010年成头号二氧化碳排放国化石源稀缺生源成全球性话题
o 关键字
o 太阳 逆变器 半导体
· aceArial>作者：苏宇
源需求断增长报告称中国2010年成头号二氧化碳排放国化石源稀缺生源成全球性话题发展太阳光伏技术成中国节减排战略中关键电子工程专辑市场分析报告指出2008年中国陆光伏电池产量已居全球第拥诸尚德晶澳中电光伏天合等批光伏电池精英生产商金融危机时中国太阳光伏产业整合升级良机
前太阳光伏市场(包括光伏模块逆变器)正年约30年累积速度增长太阳逆变器作太阳辐射光变化DC电压转换成电网兼容AC输出广电子工程师言太阳逆变器值高度关注技术领域文介绍太阳逆变器设计需注意技术点挑战相应解决方法
基设计标准
基太阳逆变器专性保持设计高效率需持续监视太阳电池板阵列电压电流解太阳电池板阵列瞬时输出功率需电流控制反馈环确保太阳电池板阵列工作输出功率点应付变高输入目前太阳逆变器已种拓扑结构常见单相半桥全桥Heric(Sunways专利)逆变器三相六脉桥中点钳位（NPC）逆变器图1示逆变器拓扑图(Microsemi图源)时设计需遵安全规范电网发生障时候快速断开电网连接太阳逆变器基设计标准包括额定电压容量效率电池效输出AC电源质量功率点踪（MPPT）效通信特性安全性
图1a：半桥逆变图1b：全桥逆变器
图1c：Heric逆变器
图1d：三相桥逆变器图1e：NPC三级逆变器
额定电压：太阳逆变器功光伏面板（时稳压DC电压）变DC电压转换AC电压驱动负载电网供电常单相三相AC电压分120V220V208V380V工业应说480V常见选定逆变器拓扑说输出AC电压范围决定DC母线电压半导体开关额定电压
容量：太阳逆变器额定功率说法该数值200W（面板集成模块）数百千瓦间容量越逆变器体积越价格越高太阳逆变器成美元瓦衡量恰处设计言确定容量时必须浪涌载连续工作模式等情况考虑
效率：太阳逆变器效率（输出功率输入功率）求例数千瓦系统典型效率达95基太阳阵列量转换效率相低（约15左右）事实太阳面板获输出功率说高效逆变器具非常重意义
电池力：逆变器DC侧加装电池组起着量缓存器作抑DC电压波动负载未量存储起电池力优点天黑时持续提供量加装电池太阳逆变器需电池控制器然连接电网情况般
输出功率质量：源逆变器开关模式特性AC输出波形非理想正弦波通常包含脉宽调制（PWM）引入宽范围高频谐波许电子负载说谐波害益网时谐波成污染源谐波太阳逆变器然够负载较差功率数进行补偿弱化诸电压骤降波动等电源质量问题款设计精良太阳逆变器应输出似正弦波减少引入电网期低频成分
MPPT效：太阳面板输出遵循电流电压曲线图中光条件系列特性曲线获功率输出需电压进行动态调节功率点踪手法类似获取燃机佳效率曲线作法中扭矩速度应电流电压10年间开发出干算法中流行通扰动电压观察输出方法
通信特性：数千瓦太阳逆变器说构建监控数存储通信连接必功样数字时代作种通控制器微处理器(MCU)适合该功
安全性：两含义：1网时需仔细观察波形掉电时立切断连接反孤岛保护关键2维护维修时工作员应没安全风险
网逆变器需降低功率等级前提紧密匹配电网相位频率网时逆变器够负载电回送电网须助体积庞成高昂量存储器件基安全考虑网逆变器掉电时动切断般没存储量电池组时离网太阳逆变器工作独立模式需外部AC电网步需反孤岛保护措施
外逆变器网设计离网设计两者间区输出级然网连接系统中数情况DCAC级600V功率MOSFETIGBT构建离网系统电池级馈送低压输出应包括太阳街灯明48V电压轨输出太阳辅助电信系统48V系统中般选择100V功率MOSFET构建全桥逆变器文会太阳逆变器中MOSFETIGBT进行详细介绍
系统效率成太阳逆变器重设计考虑素竞争厂商间优劣区分素台20kWp安装设备天均输出电190kWh效率95提高96果强制入网电价 (feedin tariff)040美元 kWh10年寿命周期计算节省约逆变器身成半效率重性言喻
旦输出功率确定高转换效率低功率器件损耗讲回事考虑光伏面板太阳转换电效率低（般15）量逆变器效率减太阳面板面积整系统体积方面意义原外器件功率损耗硅裸片产生热导致温升必须效散热损耗导致热力高设计必须竭力应付必须散热器众周知散热器头价格高外采诸风扇等器件散热器性高换句话功率损耗仅节省量提升系统性系统更紧凑降低成
现逆变器第次障均时间约5年太阳逆变器成造成光伏系统诸障原提升逆变器设计性需考虑素采取相应措施包括：低损耗功率器件开关电路更新封装技术电解电容器代设计器件冗余常见失效模式原等深入分析
Microsemi(美高森美)半导体应工程师理钱昶指出电热方面载导致失效两原选择效更高器件电路会降低逆变器身功耗进降低功率器件结温时降低热力设计电热应力远远低器件承受水条途径冗余设计器件交工作分摊降低器件受压力
设计冗余设计显著增加成制造商希更行成更低作法研究失效模式成然该信息回馈产品进行重新设计然需量产品进行现场测试便发现验证障机制模式
外钱昶认太阳逆变器性设计挑战应包括：具低性电解电容合理价格找种类高压容量电容器技术难度缺少结构化方法进行产品规划质量控制成熟制造工艺损害性外工作恶劣环境(极低极高温潮湿曝晒)性设计带挑战
飞兆半导体技术行销助理理Eric Zhang认系统需母线电容确成影响性重素设计通常会选择电解电容器耐受日常温度变化循环高温运作设计员必须解网发电太阳电池额定输出功率选择合适拓扑(请参考图1)具足够耐压功率开关器件
英飞凌高级工程师Jerome Lee建议通降低电解电容中纹波电流延长逆变器寿命开关高频操作高效率目标发生突需考虑电容器组否出现相系统电解电容老化问题认电压额定值降散热效果影响太阳逆变器性素具成性优化600V级功率器件时通压保护系统降压变换器作输入级电压应力减少500V
IGBT抑MOSFET
半导体器件影响逆变器设计素概括：器件击穿电压封装热阻（结外壳）电流等级导通电压导通阻抗寄生电容开关速度成设计员太阳逆变器设计选择功率逆变器件时具体考虑呢？
MOSFETIGBT说选决策视性成间权衡定般说IGBT电流更（MOSFET两倍）采IGBT方案成采MOSFET成低成方面考虑外器件性功率损耗表度功率损耗分：导通开关两类作少数载流子基础器件电流IGBT具更低导通电压意味着更低导通损耗MOSFET开关速度更快开关损耗IGBT低求更低开关频率更电流应说选择IGBT更适合具备更低成优势方面MOSFET力满足高频电流应特开关频率100kHz量逆变器模块需然器件成角度MOSFETIGBT贵处理更高开关频率力简化输出滤波器磁设计显著缩输出电感体积
基述原更制造商倾中高水量逆变器中采IGBTMicrosemi钱昶介绍该公司MOS8 IGBT静态动态测试（化总体功率损耗）方面优化性出色胜应求方面强调便MOSFET成考量实行更优方案应重新审视采MOSFET潜力诸MicrosemiMOS7MOS8 MOSFET具备领先特性非常适合太阳逆变器设计
DCAC变换级通常两快速开关设备两极性选择开关组成损耗表现传导损耗需功率器件具备非常低正电压降功率MOSFET相IGBT优势存拐点电压(knee voltage)逆变器设计需考虑高达700V输入电压系统时会考虑采降压转换器作第功率级
英飞凌奥利公司高级工程师Uwe Kirchner建议通联三英飞凌CoolMOS CP系列器件600V级获少15m欧姆导通电阻CoolMOS 900V系列产品提供导通电阻130m欧姆器件慢速开关设备推荐600V Trench Stop IGBT
该公司电源分立器件部负责Gerald Deboy博士逆变器设计器件选型补充法认CoolMOS CPCoolMOS CED取决体二极求逆变器中体二极电压零点功功率传递程中硬换流现象时CED较利IGBT反联二极选SiC肖特基势垒二极较合适时降压级续流二极(free wheeling diode)电隔离系统中整流二极SiC肖特基势垒二极零反恢复特性中受益
飞兆半导体Eric指出太阳逆变器拓扑通常包含升压级输入DC电压提升充分高需峰值输出电压水然通DCAC逆变入电网升压转换器说关心升压二极开关损耗反恢复电荷引起高损耗(取决功率范围升压转换器通常连续导通模式二极带显著应力)功率级MOSFET开关损耗重考虑选择先进超结器件(例600V SuperFET MOSFET)减少开关导通损耗逆变器级中通常专软开关优化低速 IGBT减输出滤波器体积降低滤波器耗时IGBT身具备稳固性更抵抗电网峰值电压许逆变器专拓扑进步提升效率增添更功特性
实现太阳逆变器智控制
设计太阳逆变器时考虑两关键素效率谐波失真效率分成两部分：太阳效率逆变器效率逆变器效率程度取决设计外部元件控制器太阳效率控制器控制太阳电池板阵列关太阳电池板阵列工作功率程度取决阵列温度光MCU必须控制太阳电池板阵列输出负载阵列工作功率数学密集型算法低成MCU完成务
智化控制谐波失真需更处理系统作间断电源（UPS）需诸DSCDSP等高性控制器确保电网存时提供清洁电太阳逆变器电网存时工作低成MCU电网吸收太阳逆变器产生谐波失真电网作穷负载高谐波失真太阳逆变器Microchip技术开发部首席应工程师John Charais推荐MicrochipPIC16FPIC18F MCU系列两系列带片ADCPWM模块时PIC12F615PIC
18F KJ系列MCU等更器件均适低谐波失真太阳逆变器推荐PIC32F30F MCUdsPIC33F DSC
外TI太阳等生源应关注家DSP著名公司目前太阳智控制领域提供两款DSP演变C2000系列MCUTI高级嵌入式处理器产品部中国区理谭徽博士认标准太阳系统太阳电池板逆变器相关研究显示连接太阳电池板微型逆变器提升功率转换效率提高单电池板输出TIC2000 PiccoloDelfino MCU非常适太阳逆变器应中Piccolo MCU太阳电池板提供更高工作效率太阳逆变器控制功Delfino浮点MCU通AC源提供常量AC电压ADDC整流器续DCAC逆变器高压(约600V DC)步精确控制功率级
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o 太阳 逆变器 半导体
· aceArial>作者：苏宇
源需求断增长报告称中国2010年成头号二氧化碳排放国化石源稀缺生源成全球性话题发展太阳光伏技术成中国节减排战略中关键电子工程专辑市场分析报告指出2008年中国陆光伏电池产量已居全球第拥诸尚德晶澳中电光伏天合等批光伏电池精英生产商金融危机时中国太阳光伏产业整合升级良机
前太阳光伏市场(包括光伏模块逆变器)正年约30年累积速度增长太阳逆变器作太阳辐射光变化DC电压转换成电网兼容AC输出广电子工程师言太阳逆变器值高度关注技术领域文介绍太阳逆变器设计需注意技术点挑战相应解决方法
基设计标准
基太阳逆变器专性保持设计高效率需持续监视太阳电池板阵列电压电流解太阳电池板阵列瞬时输出功率需电流控制反馈环确保太阳电池板阵列工作输出功率点应付变高输入目前太阳逆变器已种拓扑结构常见单相半桥全桥Heric(Sunways专利)逆变器三相六脉桥中点钳位（NPC）逆变器图1示逆变器拓扑图(Microsemi图源)时设计需遵安全规范电网发生障时候快速断开电网连接太阳逆变器基设计标准包括额定电压容量效率电池效输出AC电源质量功率点踪（MPPT）效通信特性安全性
图1a：半桥逆变图1b：全桥逆变器
图1c：Heric逆变器
图1d：三相桥逆变器图1e：NPC三级逆变器
额定电压：太阳逆变器功光伏面板（时稳压DC电压）变DC电压转换AC电压驱动负载电网供电常单相三相AC电压分120V220V208V380V工业应说480V常见选定逆变器拓扑说输出AC电压范围决定DC母线电压半导体开关额定电压
容量：太阳逆变器额定功率说法该数值200W（面板集成模块）数百千瓦间容量越逆变器体积越价格越高太阳逆变器成美元瓦衡量恰处设计言确定容量时必须浪涌载连续工作模式等情况考虑
效率：太阳逆变器效率（输出功率输入功率）求例数千瓦系统典型效率达95基太阳阵列量转换效率相低（约15左右）事实太阳面板获输出功率说高效逆变器具非常重意义
电池力：逆变器DC侧加装电池组起着量缓存器作抑DC电压波动负载未量存储起电池力优点天黑时持续提供量加装电池太阳逆变器需电池控制器然连接电网情况般
输出功率质量：源逆变器开关模式特性AC输出波形非理想正弦波通常包含脉宽调制（PWM）引入宽范围高频谐波许电子负载说谐波害益网时谐波成污染源谐波太阳逆变器然够负载较差功率数进行补偿弱化诸电压骤降波动等电源质量问题款设计精良太阳逆变器应输出似正弦波减少引入电网期低频成分
MPPT效：太阳面板输出遵循电流电压曲线图中光条件系列特性曲线获功率输出需电压进行动态调节功率点踪手法类似获取燃机佳效率曲线作法中扭矩速度应电流电压10年间开发出干算法中流行通扰动电压观察输出方法
通信特性：数千瓦太阳逆变器说构建监控数存储通信连接必功样数字时代作种通控制器微处理器(MCU)适合该功
安全性：两含义：1网时需仔细观察波形掉电时立切断连接反孤岛保护关键2维护维修时工作员应没安全风险
网逆变器需降低功率等级前提紧密匹配电网相位频率网时逆变器够负载电回送电网须助体积庞成高昂量存储器件基安全考虑网逆变器掉电时动切断般没存储量电池组时离网太阳逆变器工作独立模式需外部AC电网步需反孤岛保护措施
外逆变器网设计离网设计两者间区输出级然网连接系统中数情况DCAC级600V功率MOSFETIGBT构建离网系统电池级馈送低压输出应包括太阳街灯明48V电压轨输出太阳辅助电信系统48V系统中般选择100V功率MOSFET构建全桥逆变器文会太阳逆变器中MOSFETIGBT进行详细介绍
系统效率成太阳逆变器重设计考虑素竞争厂商间优劣区分素台20kWp安装设备天均输出电190kWh效率95提高96果强制入网电价 (feedin tariff)040美元 kWh10年寿命周期计算节省约逆变器身成半效率重性言喻
旦输出功率确定高转换效率低功率器件损耗讲回事考虑光伏面板太阳转换电效率低（般15）量逆变器效率减太阳面板面积整系统体积方面意义原外器件功率损耗硅裸片产生热导致温升必须效散热损耗导致热力高设计必须竭力应付必须散热器众周知散热器头价格高外采诸风扇等器件散热器性高换句话功率损耗仅节省量提升系统性系统更紧凑降低成
现逆变器第次障均时间约5年太阳逆变器成造成光伏系统诸障原提升逆变器设计性需考虑素采取相应措施包括：低损耗功率器件开关电路更新封装技术电解电容器代设计器件冗余常见失效模式原等深入分析
Microsemi(美高森美)半导体应工程师理钱昶指出电热方面载导致失效两原选择效更高器件电路会降低逆变器身功耗进降低功率器件结温时降低热力设计电热应力远远低器件承受水条途径冗余设计器件交工作分摊降低器件受压力
设计冗余设计显著增加成制造商希更行成更低作法研究失效模式成然该信息回馈产品进行重新设计然需量产品进行现场测试便发现验证障机制模式
外钱昶认太阳逆变器性设计挑战应包括：具低性电解电容合理价格找种类高压容量电容器技术难度缺少结构化方法进行产品规划质量控制成熟制造工艺损害性外工作恶劣环境(极低极高温潮湿曝晒)性设计带挑战
飞兆半导体技术行销助理理Eric Zhang认系统需母线电容确成影响性重素设计通常会选择电解电容器耐受日常温度变化循环高温运作设计员必须解网发电太阳电池额定输出功率选择合适拓扑(请参考图1)具足够耐压功率开关器件
英飞凌高级工程师Jerome Lee建议通降低电解电容中纹波电流延长逆变器寿命开关高频操作高效率目标发生突需考虑电容器组否出现相系统电解电容老化问题认电压额定值降散热效果影响太阳逆变器性素具成性优化600V级功率器件时通压保护系统降压变换器作输入级电压应力减少500V
IGBT抑MOSFET
半导体器件影响逆变器设计素概括：器件击穿电压封装热阻（结外壳）电流等级导通电压导通阻抗寄生电容开关速度成设计员太阳逆变器设计选择功率逆变器件时具体考虑呢？
MOSFETIGBT说选决策视性成间权衡定般说IGBT电流更（MOSFET两倍）采IGBT方案成采MOSFET成低成方面考虑外器件性功率损耗表度功率损耗分：导通开关两类作少数载流子基础器件电流IGBT具更低导通电压意味着更低导通损耗MOSFET开关速度更快开关损耗IGBT低求更低开关频率更电流应说选择IGBT更适合具备更低成优势方面MOSFET力满足高频电流应特开关频率100kHz量逆变器模块需然器件成角度MOSFETIGBT贵处理更高开关频率力简化输出滤波器磁设计显著缩输出电感体积
基述原更制造商倾中高水量逆变器中采IGBTMicrosemi钱昶介绍该公司MOS8 IGBT静态动态测试（化总体功率损耗）方面优化性出色胜应求方面强调便MOSFET成考量实行更优方案应重新审视采MOSFET潜力诸MicrosemiMOS7MOS8 MOSFET具备领先特性非常适合太阳逆变器设计
DCAC变换级通常两快速开关设备两极性选择开关组成损耗表现传导损耗需功率器件具备非常低正电压降功率MOSFET相IGBT优势存拐点电压(knee voltage)逆变器设计需考虑高达700V输入电压系统时会考虑采降压转换器作第功率级
英飞凌奥利公司高级工程师Uwe Kirchner建议通联三英飞凌CoolMOS CP系列器件600V级获少15m欧姆导通电阻CoolMOS 900V系列产品提供导通电阻130m欧姆器件慢速开关设备推荐600V Trench Stop IGBT
该公司电源分立器件部负责Gerald Deboy博士逆变器设计器件选型补充法认CoolMOS CPCoolMOS CED取决体二极求逆变器中体二极电压零点功功率传递程中硬换流现象时CED较利IGBT反联二极选SiC肖特基势垒二极较合适时降压级续流二极(free wheeling diode)电隔离系统中整流二极SiC肖特基势垒二极零反恢复特性中受益
飞兆半导体Eric指出太阳逆变器拓扑通常包含升压级输入DC电压提升充分高需峰值输出电压水然通DCAC逆变入电网升压转换器说关心升压二极开关损耗反恢复电荷引起高损耗(取决功率范围升压转换器通常连续导通模式二极带显著应力)功率级MOSFET开关损耗重考虑选择先进超结器件(例600V SuperFET MOSFET)减少开关导通损耗逆变器级中通常专软开关优化低速 IGBT减输出滤波器体积降低滤波器耗时IGBT身具备稳固性更抵抗电网峰值电压许逆变器专拓扑进步提升效率增添更功特性
实现太阳逆变器智控制
设计太阳逆变器时考虑两关键素效率谐波失真效率分成两部分：太阳效率逆变器效率逆变器效率程度取决设计外部元件控制器太阳效率控制器控制太阳电池板阵列关太阳电池板阵列工作功率程度取决阵列温度光MCU必须控制太阳电池板阵列输出负载阵列工作功率数学密集型算法低成MCU完成务
智化控制谐波失真需更处理系统作间断电源（UPS）需诸DSCDSP等高性控制器确保电网存时提供清洁电太阳逆变器电网存时工作低成MCU电网吸收太阳逆变器产生谐波失真电网作穷负载高谐波失真太阳逆变器Microchip技术开发部首席应工程师John Charais推荐MicrochipPIC16FPIC18F MCU系列两系列带片ADCPWM模块时PIC12F615PIC
18F KJ系列MCU等更器件均适低谐波失真太阳逆变器推荐PIC32F30F MCUdsPIC33F DSC
外TI太阳等生源应关注家DSP著名公司目前太阳智控制领域提供两款DSP演变C2000系列MCUTI高级嵌入式处理器产品部中国区理谭徽博士认标准太阳系统太阳电池板逆变器相关研究显示连接太阳电池板微型逆变器提升功率转换效率提高单电池板输出TIC2000 PiccoloDelfino MCU非常适太阳逆变器应中Piccolo MCU太阳电池板提供更高工作效率太阳逆变器控制功Delfino浮点MCU通AC源提供常量AC电压ADDC整流器续DCAC逆变器高压(约600V DC)步精确控制功率级
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