太陽(yáng)能逆變器的優(yōu)化應(yīng)用及如何設(shè)計(jì)？

近年來(lái)光伏發(fā)電在各國(guó)的普及和應(yīng)用取得可觀的進(jìn)展。作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對(duì)于光伏系統(tǒng)的整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。電力電子的設(shè)計(jì)對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的整體效能具有舉足輕重的地位。最高的轉(zhuǎn)換效率永遠(yuǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師考慮的首要因素。由于光電轉(zhuǎn)換板的效率很低，通常不超過(guò)百分之二十，因此太陽(yáng)能逆變器的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于減小太陽(yáng)能板總面積和系統(tǒng)總體積就至關(guān)重要。除此之外，在電能轉(zhuǎn)換過(guò)程的功率損耗直接導(dǎo)致了半導(dǎo)體晶圓的溫度升高，所以要通過(guò)散熱器有效耗散這部分損耗能量。器件工作時(shí)的溫升和熱應(yīng)力是影響可靠性的重要參數(shù)，換言之，減少功率變換損耗不僅節(jié)約了能源，還提高了系統(tǒng)可靠性，縮減了系統(tǒng)體積和成本。

選擇合適的功率器件

用于廣義的太陽(yáng)能逆變器(含輸入直流斬波級(jí))的功率半導(dǎo)體器件主要有MOSFET， IGBT， Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對(duì)的IGBT則開(kāi)關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價(jià)格便宜并適用于大電流的應(yīng)用場(chǎng)合。超結(jié)MOSFET介于兩者之間，是一種性能價(jià)格折中的產(chǎn)品，在實(shí)際設(shè)計(jì)中被廣為應(yīng)用。概括地說(shuō)，選用哪類(lèi)器件取決于成本，效率的要求并兼顧開(kāi)關(guān)頻率。如果要求硬開(kāi)關(guān)在100千赫以上，一般只有MOSFET能夠勝任。在較低頻段如15千赫，如沒(méi)有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于客戶對(duì)轉(zhuǎn)換效率和成本的具體要求。系統(tǒng)效率和成本之間作為一對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)工程師將根據(jù)其相應(yīng)關(guān)系對(duì)照目標(biāo)系統(tǒng)要求以確定最貼近系統(tǒng)要求的元件型號(hào)。

除去以上最典型的三類(lèi)全控開(kāi)關(guān)器件，業(yè)界還存在像碳化硅二極管和ESBT 等基于新材料和新工藝的產(chǎn)品。它們目前的價(jià)格還比較高，主要應(yīng)用于對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電效率有特殊要求的場(chǎng)合。但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和器件單價(jià)的下降，這類(lèi)器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a(chǎn)品，甚至替代上述的某一類(lèi)器件。

選擇合適的驅(qū)動(dòng)控制方案

太陽(yáng)能有助于降低發(fā)電相關(guān)成本。這個(gè)行業(yè)最熱門(mén)的話題之一就是電源轉(zhuǎn)換效率。為了提高0.1%的效率，太陽(yáng)能逆變器制造商往往需要投入大量的時(shí)間?？紤]到更高的效率和增加的能源之間的關(guān)聯(lián)性，亦即更快的光伏(PV)系統(tǒng)的投資回報(bào)速度，那么確定逆變器將太陽(yáng)能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為家用交流電的能力將至關(guān)重要。微逆變器和太陽(yáng)能優(yōu)化器是太陽(yáng)能市場(chǎng)中兩種快速發(fā)展的架構(gòu)。

為最大化PV面板性能，微逆變器的前端是DC/DC級(jí)，其中數(shù)字控制器執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非隔離式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。對(duì)于單個(gè)太陽(yáng)能電池板，軌道或直流環(huán)節(jié)通常為36V;對(duì)于此電壓范圍，可以使用標(biāo)準(zhǔn)硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換。

鑒于減小尺寸是一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)(因此微逆變器和功率優(yōu)化器將適合光伏系統(tǒng)的后端)，太陽(yáng)能逆變器制造商正在采用氮化鎵(GaN)技術(shù)，因?yàn)樗軌蛞愿哳l率切換。較高頻率減小了微逆變器和太陽(yáng)能優(yōu)化器應(yīng)用中的大型磁性元件的尺寸。

DC/AC級(jí)或次級(jí)通常使用H橋拓?fù)?對(duì)于微逆變器，軌道電壓約為400V。目前，柵極驅(qū)動(dòng)器可以使用多種隔離技術(shù)來(lái)隔離控制器與電源開(kāi)關(guān)，并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)高頻開(kāi)關(guān)。這些要求由信號(hào)隔離的安全標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)。

德州儀器(TI)的UCC21220基本隔離柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)提供高側(cè)和低側(cè)之間的傳播延遲和延遲匹配的領(lǐng)先性能，改善了這些集成優(yōu)勢(shì)。這些定時(shí)特性減少了與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗，因?yàn)樗鞂?dǎo)通，同時(shí)還最小化了體二極管的導(dǎo)通時(shí)間，從而提高了效率。這些參數(shù)也較少依賴于VDD，因此，可以放寬系統(tǒng)其余部分的電壓容差設(shè)計(jì)余量。

更高的效率不僅意味著更少的能源浪費(fèi)，也意味著更小的散熱器、更少的冷卻需求以及更緊湊和更具成本效益的設(shè)計(jì)。使用正確的高壓柵極驅(qū)動(dòng)器可幫您實(shí)現(xiàn)更高效率，同時(shí)降低空間受限的微逆變器或太陽(yáng)能優(yōu)化器設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)成本。