隨著能源和環(huán)境問題日益凸顯,太陽能作為一種清潔的可再生能源迅速發(fā)展,太陽能發(fā)電設施激增,其中逆變器必不可少。安森美半導體的功率集成模塊(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆變器設計。
太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)和儲能系統(tǒng)(ESS)架構
在電池供電的工作狀態(tài)下,UPS、ESS和太陽能逆變器由DC-DC轉換器和DC-AC逆變器組成,解決方案享有高度的相似性和通用性。如圖1所示,20至200kVA組串型太陽能逆變器含升壓電感、升壓模塊、直流母線電容、逆變器模塊、交流濾波電感和電容,而20至50kVA的UPS/ESS含輸入濾波、功率因數(shù)校正(PFC)、整流器、直流母線電容、逆變器模塊、濾波電感和電容。UPS可在斷電或電源不穩(wěn)定的情況下提供備用電源,廣泛用于為電信和數(shù)據(jù)中心、各種工業(yè)設施等無數(shù)應用中的關鍵器件供電。ESS正越來越多地與可再生能源結合部署,以保障不間斷的供電并促進電網(wǎng)的現(xiàn)代化。
圖1:太陽能逆變器/UPS/ESS典型框圖
太陽能逆變器/UPS/ESS方案及趨勢
由于對更高能效的需求,逆變器模塊在典型應用中普遍采用多電平結構,尤其是3電平(NPC或T-NPC)逆變器很受歡迎,因為3電平比2電平逆變器能效更高,電流總諧波失真(THD)更小,輸入漏電流低,輸出濾波更小更接近理想的正弦波。當然由于IGBT數(shù)、驅動器數(shù)、輔助電源數(shù)增加,物料單(BOM)成本、控制方案復雜度也會增加。安森美半導體提供PIM方案,采用不帶工頻變壓器的多串逆變器結構,同時優(yōu)化芯片組及布板以降低損耗,達到高頻開關,高能效及高功率密度的整體實現(xiàn)。
典型的3電平逆變器拓撲
TNPC、NPC、ANPC是3種典型的3電平逆變器拓撲,TNPC實現(xiàn)低開關損耗,NPC過去廣泛采用,而ANPC則具備低寄生電感的優(yōu)勢。安森美半導體提供的三電平方案涵蓋20kW至220kW輸出功率,采用Q0、Q1、Q2的不同封裝供不同功率段的用戶選擇。Q0、Q1封裝分別用于達25kW、40kW的升壓模塊和達15kW、20kW的逆變模塊。Q2封裝帶銅基板,因而增強散熱性,用于達220kW的1500V逆變模塊和達90kW的1100V逆變模塊。
表1:典型的3電平逆變器拓撲
推薦的升壓及逆變器模塊及PIM選型指南
表2列出了安森美半導體目前提供的升壓及逆變器模塊。這些模塊都集成高速IGBT、Si/SiC二極管,實現(xiàn)高能效、緊湊的設計,內(nèi)置熱敏電阻,提供高可靠性,采用焊接/壓合引腳,易于安裝。
表2:推薦的升壓及逆變器模塊
針對DC-DC升壓模塊,1個MPPT通道可支持最大約25A光伏(PV)輸入(2個PV板并聯(lián)),各模塊都有不同的MPPT數(shù)、IGBT額定電流、SiC二極管額定值,應根據(jù)應用所需的MPPT數(shù)和每路MPPT的功率選用適當?shù)哪K和模塊數(shù)。
對于1100V最大直流母線的應用,需根據(jù)應用所需的逆變器功率等級選用相應的3電平DC-AC逆變器模塊。對于較小功率的逆變器需求,如10kVA,安森美半導體提供把a、b、c三相集中到1個Q1封裝的三合一方案。
此外,針對近期迅速增長的1500V光伏電站需求,安森美半導體還將推出1500V 三電平逆變器和升壓模塊,其1000V IGBT晶圓與市場主流的1200V晶圓相比,有較薄的襯底區(qū),因此導通電阻更小,損耗明顯降低。針對單相逆變器,安森美半導體將推出采用H6.5拓撲的模塊,與廣泛應用的H橋拓撲相比,大大降低共模電流以滿足無隔離變壓器并網(wǎng)的安規(guī)要求??紤]到未來家用增加電池儲能的需求,在晶圓選取時考慮雙向功率流動,即可向電網(wǎng)送電,也可從電網(wǎng)取電存儲在電池里,功率因數(shù)為1或-1時都可高效運行。
在選擇PIM時,首先應知曉應用需求,如額定功率和電壓、是否需要升壓模塊、是采用3相還是單相、采用什么拓撲,然后和應用工程師一起計算所需的模塊數(shù)量,并用仿真軟件計算損耗和最高結溫。
實用設計示例
圖2是一臺60kW太陽能逆變器產(chǎn)品電路圖。以1100V三相逆變器為例,紅色框圖所示為1個直流升壓模塊,用于將較低的光伏板輸入電壓提升到較高的直流母線電容電壓,藍色框圖所示為TNPC三電平逆變模塊,實現(xiàn)直流到交流的能量轉換。
圖2:太陽能逆變器電路(1100V三相逆變器)
此外,還用到一些無源器件如電解電容、薄膜電容、共模電感、AC 濾波電感、DC 濾波電感、AC繼電器等。電解電容支持直流母線電壓的穩(wěn)定,薄膜電容用于吸收IGBT開關時產(chǎn)生的尖峰電壓,共模電感在共?;芈分刑峁└咦杩?,抑制共模干擾EMI、共模損耗。
若要設計1個80kW系統(tǒng),假設選用4個Q0升壓模塊NXH80B120H2Q0SG和3個Q2Pack逆變模塊NXH160T120L2Q2F2S1G,則每個MPPT的功率為:80/8=10kW,PV電流為:10kW/600V=16.67A,每個逆變模塊的功率為:80/3=26.67kW。然后,通過仿真軟件輸入如下系統(tǒng)條件參數(shù),計算能效并評估IGBT和二極管的結溫。
圖3:80kW系統(tǒng)的設計示例
仿真結果顯示,該設計方案的系統(tǒng)能效超過98%,損耗和熱性能表現(xiàn)佳,因此是可行的。
門極驅動電路設計考量
IGBT的導通、關斷需要給cge電路充電放電。在光伏應用領域,控制信號和高壓回路是需要隔離的。在布板時,應盡量將門極驅動電路放置在PIM模塊附近,以減小驅動回路雜散電感,因為較高的雜散電感可能會引起門極電壓振蕩。在選取門極電阻值Rg時,需要在開關損耗和電壓、電流應力之間進行折中。此外,設計人員需關注隔離芯片的共模瞬態(tài)抑制 (CMTI)參數(shù)。
總結
全球都在轉向可再生能源如太陽能替代傳統(tǒng)能源,以解決日益凸顯的能源和環(huán)境問題。安森美半導體提供各種3電平逆變器模塊和升壓模塊,采用優(yōu)化的功率半導體器件和封裝設計,在太陽能逆變器、UPS和ESS系統(tǒng)中提供超過98%的能效和高可靠性,并提供各種與電源模塊一起使用的門極驅動器以優(yōu)化系統(tǒng)性能,同時輔以迅速、深入的技術支持,協(xié)助客戶贏得商機和拓展業(yè)務。