光伏逆變器 編輯
逆變器又稱電源調(diào)整器，根據(jù)逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的用途可分為獨(dú)立型電源用和并網(wǎng)用二種。根據(jù)波形調(diào)制方式又可分為方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器和組合式三相逆變器。對(duì)于用于并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器，根據(jù)有無(wú)變壓器又可分為變壓器型逆變器和無(wú)變變壓器型逆變器。
中文名 光伏逆變器 又    稱 電源調(diào)整器 分    為 獨(dú)立型電源用和并網(wǎng)用 整流電路 完成整流功能的電路 平衡壓差 蒲微防水透氣閥
目錄
1 簡(jiǎn)介
2 發(fā)展
3 結(jié)構(gòu)原理
4 功能
5 分類
6 選購(gòu)要素
7 工作環(huán)境
8 認(rèn)證
? 認(rèn)證目的
? 測(cè)試項(xiàng)目
? 認(rèn)證周期及費(fèi)用
9 系統(tǒng)成本
簡(jiǎn)介編輯
通常，把將交流電能變換成直流電能的過(guò)程稱為整流，把完成整流功能的電路稱為整流電路，把實(shí)現(xiàn)整流過(guò)程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對(duì)應(yīng)，把將直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱為逆變?cè)O(shè)備或逆變器。
如上所述，逆變器有多種類型，因此在選擇機(jī)種和容量時(shí)需特別注意。尤其在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器效率的高低是決定太陽(yáng)能電池容量和蓄電池容量大小的重要因素。
工作原理
逆變裝置的核心，是逆變開(kāi)關(guān)電路，簡(jiǎn)稱為逆變電路。該電路通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來(lái)完成逆變的功能。[1]
發(fā)展編輯
2005至2010年，全球光伏逆變器市場(chǎng)規(guī)模由10.7億美元增至71.8億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為46.3%。歐洲、亞太地區(qū)及北美地區(qū)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是光伏逆變器市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力。
2007年我國(guó)光伏新增裝機(jī)量?jī)H20MW，到2010年國(guó)內(nèi)光伏新增裝機(jī)量約520MW，是2009年228MW裝機(jī)量的2倍多。2011年我國(guó)新增裝機(jī)量達(dá)到2.9GW，在全球排名第四。
2015年我國(guó)光伏逆變器需求量將達(dá)到5.0GW，2020年將達(dá)到10GW。
在我國(guó)“十一五”期間，諸如逆變器等光伏發(fā)電配套設(shè)備多處在研發(fā)和創(chuàng)新階段，較少受到政策關(guān)注?！笆濉睍r(shí)期，光伏發(fā)電市場(chǎng)的趨勢(shì)是向全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，晶硅、組件以外的配套設(shè)備將受到市場(chǎng)與政策的進(jìn)一步關(guān)注，發(fā)改委將逆變器列入指導(dǎo)目錄鼓勵(lì)類，就是這一趨勢(shì)的體現(xiàn)。
2010年，我國(guó)光伏并網(wǎng)容量達(dá)500兆瓦，逆變器市場(chǎng)在5億元左右。目前，“十二五”國(guó)內(nèi)的光伏裝機(jī)容量目標(biāo)大幅上調(diào)到10GW，較之前公布的目標(biāo)翻了一番。假設(shè)這些裝機(jī)全部并網(wǎng)，按照1元/瓦造價(jià)計(jì)算，預(yù)計(jì)到2015年，國(guó)內(nèi)逆變器市場(chǎng)將達(dá)到100億元。
隨著光伏逆變器行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，大型光伏逆變器企業(yè)間并購(gòu)整合與資本運(yùn)作日趨頻繁，國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的光伏逆變器生產(chǎn)企業(yè)愈來(lái)愈重視對(duì)行業(yè)市場(chǎng)的研究，特別是對(duì)企業(yè)發(fā)展環(huán)境和客戶需求趨勢(shì)變化的深入研究。正因?yàn)槿绱?，一大批?guó)內(nèi)優(yōu)秀的光伏逆變器品牌迅速崛起，逐漸成為光伏逆變器行業(yè)中的翹楚！[2]
光伏逆變器是電力電子技術(shù)在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，行業(yè)技術(shù)水平和電力電子器件、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、專用處理器芯片技術(shù)、磁性材料技術(shù)和控制理論技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。
另外，功率等級(jí)在200 瓦～500 瓦的微型逆變器，可方便地在幕墻、窗臺(tái)、小型屋面上使用，在最近幾年也成為一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)熱點(diǎn)。組串型光伏逆變器單相產(chǎn)品以升壓電路+單相無(wú)變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主；組串型光伏逆變器三相產(chǎn)品以升壓電路+三相三電平無(wú)變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主；電站型光伏逆變器以三相橋式電路拓?fù)錇橹?，同時(shí)包括無(wú)變壓器和有變壓器兩類。光伏逆變器重點(diǎn)關(guān)注以下技術(shù)指標(biāo)：高效率：光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率的高低直接影響到太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)發(fā)電量的多少。根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)的不同，國(guó)際一流品牌的產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)98%以上。長(zhǎng)壽命：光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命一般為20 年左右，所以要求光伏逆變器的設(shè)計(jì)壽命需要達(dá)到較高水平。高可靠性：光伏逆變器發(fā)生故障將會(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)停機(jī)，直接帶來(lái)發(fā)電量的損失，所以高可靠性是光伏逆變器的重要技術(shù)指標(biāo)。寬直流電壓工作范圍：因?yàn)閱螇K太陽(yáng)電池組件的輸出直流電壓比較低，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行多塊串聯(lián)，得到一個(gè)較高的直流電壓，再進(jìn)行多組并聯(lián)后輸入到光伏逆變器。由于不同功率、不同電壓的光伏電池、不同的串并聯(lián)方案組合，要求對(duì)同一規(guī)格的光伏逆變器能夠適應(yīng)不同的直流電壓輸入。所以，光伏逆變器具有越寬的直流電壓工作范圍，就越能適應(yīng)客戶的實(shí)際應(yīng)用需求。
符合電網(wǎng)并網(wǎng)要求：各國(guó)電網(wǎng)對(duì)于接入電網(wǎng)的設(shè)備都有著嚴(yán)格的技術(shù)要求，包括并網(wǎng)電流諧波、注入電網(wǎng)直流分量、電網(wǎng)過(guò)欠壓時(shí)保護(hù)、電網(wǎng)過(guò)欠頻時(shí)保護(hù)、孤島保護(hù)等。隨著大量可再生能源發(fā)電設(shè)備的接入，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行、調(diào)度提出了新的挑戰(zhàn)，電網(wǎng)提出了如低電壓穿越、無(wú)功補(bǔ)償、儲(chǔ)能等新要求。
結(jié)構(gòu)原理編輯
逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電力
光伏并網(wǎng)發(fā)電原理圖
光伏并網(wǎng)發(fā)電原理圖
轉(zhuǎn)換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構(gòu)成。升壓回路把太陽(yáng)電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓；逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價(jià)地轉(zhuǎn)換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成，通過(guò)有規(guī)則地讓開(kāi)關(guān)元件重復(fù)開(kāi)-關(guān)（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。當(dāng)然，這樣單純地由開(kāi)和關(guān)回路產(chǎn)生的逆變器輸出波形并不實(shí)用。一般需要采用高頻脈寬調(diào)制（SPWM），使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開(kāi)關(guān)元件按一定頻率朝一方向動(dòng)作，這樣形成一個(gè)脈沖波列（擬正弦波）。然后讓脈沖波通過(guò)簡(jiǎn)單的濾波器形成正弦波。[3]
元器件的構(gòu)成：
1、電流傳感器
光伏逆變器一般采用霍爾電流傳感器來(lái)進(jìn)行電流采樣，從小功率到大功率所采用的電流傳感器形式不一，列舉一些例子如下：
500KW逆變器中JCE1005-FS電流傳感器外形圖
500KW逆變器中JCE1005-FS電流傳感器外形圖
100KW：檢測(cè)電流是300A左右，一般都會(huì)采用JCE308-TS7電流傳感器
250KW：檢測(cè)電流是500A左右，一般都會(huì)采用JCE508-TS6電流傳感器
500KW：檢測(cè)電流是1000A左右，一般會(huì)采用JCE1005-FS電流傳感器
1MW：檢測(cè)電流是2000A左右，一般會(huì)采用JCE2005-FS電流傳感器
對(duì)于電流傳感器要求精度高、響應(yīng)時(shí)間快，而且耐低溫、高溫等環(huán)境要求，目前國(guó)內(nèi)很多廠家都用開(kāi)環(huán)電流傳感器來(lái)取代閉環(huán)電流傳感器，如：JCE1000-AXS、JCE1500-AXS、JCE2000-AXS等
2、電流互感器
一般采用BRS系列電流互感器，從幾百到幾千A不等，輸出信號(hào)一般采用0-5A為標(biāo)準(zhǔn)
3、電抗器
功能編輯
逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。歸納起來(lái)有自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動(dòng)電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡(jiǎn)單介紹自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能及最大功率跟蹤控制功能。
1、自動(dòng)運(yùn)行和停機(jī)功能
早晨日出后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽(yáng)電池的輸出也隨之增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行。進(jìn)入運(yùn)行后，逆變器便時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)視太陽(yáng)電池組件的輸出，只要太陽(yáng)電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行；直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。當(dāng)太陽(yáng)電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時(shí)，逆變器便形成待機(jī)狀態(tài)。
2、最大功率跟蹤控制功能
太陽(yáng)電池組件的輸出是隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和太陽(yáng)電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。另外由于太陽(yáng)電池組件具有電壓隨電流增大而下降的特性，因此存在能獲取最大功率的最佳工作點(diǎn)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是變化著的，顯然最佳工作點(diǎn)也是在變化的。相對(duì)于這些變化，始終讓太陽(yáng)電池組件的工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)始終從太陽(yáng)電池組件獲取最大功率輸出，這種控制就是最大功率跟蹤控制。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器的最大特點(diǎn)就是包括了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）這一功能。
分類編輯
光伏逆變器有多種不同的分類方式，根據(jù)用途的不同可分為獨(dú)立型電源用逆變器和獨(dú)立型并網(wǎng)用逆變器(根據(jù)變壓器的有無(wú)，獨(dú)立型并網(wǎng)用逆變器還可分為變壓器型逆變器和無(wú)變壓器型逆變器)。
根據(jù)波形調(diào)制方式的不同可分為方波型逆變器、階梯型逆變器、正弦波型逆變器和組合型三相逆變器。[4]
選購(gòu)要素編輯
節(jié)能環(huán)保是大家共同關(guān)注的焦點(diǎn),光伏產(chǎn)業(yè)從歐洲,澳洲,到現(xiàn)在的中國(guó)已經(jīng)成了熱門(mén)行業(yè),短短幾年內(nèi)國(guó)內(nèi)光伏逆變器生產(chǎn)廠家如春筍般的誕生,不過(guò)如何選擇太陽(yáng)能逆變器這個(gè)還是有一定的標(biāo)準(zhǔn)。
　　逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，所以對(duì)逆變器有較高的要求，在選用逆變器時(shí)應(yīng)要注意其技術(shù)規(guī)格是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。一般重點(diǎn)考慮下列幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。
　　選購(gòu)步驟及方法
　　1、功率
　　一般根據(jù)系統(tǒng)的要求配置對(duì)應(yīng)功率段的逆變器，選型的逆變器的功率應(yīng)該與太陽(yáng)能電池方陣的最大功率匹配，一般選取光伏逆變器的額定輸出功率與輸入總功率相近左右，這樣可以節(jié)約成本。
　　2、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
　　1）、選擇合適的輸入輸出電壓范圍，確保產(chǎn)品的最優(yōu)組合。
　　2）、逆變器的歐洲效率：它的高低將直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本與發(fā)電效率。
　　3）、太陽(yáng)電池方陣最大功率跟蹤功能（MPPT）及其效率。
　　4）、應(yīng)注意所選用的逆變器應(yīng)有基本的保護(hù)功能，如過(guò)流/短路保護(hù)、過(guò)功率保護(hù)，過(guò)溫保護(hù)，防雷保護(hù)、孤島保護(hù)等功能。
　　5）、逆變器輸出電流波形畸變率（THD%）要低于4%。
　　3、認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
　　作為光伏電站的核心設(shè)備，為保證電站的穩(wěn)定、可靠、持續(xù)運(yùn)行，并網(wǎng)逆變器必須有很高的可靠性。它應(yīng)具有銷售目的地的安規(guī)認(rèn)證，電磁兼容認(rèn)證，及各國(guó)并網(wǎng)認(rèn)證：（以歐洲為例）
　　安規(guī)：EN62109-1，EN62109-2
　　電磁兼容:EN61000-6-1,EN61000-6-2,EN61000-6-3,EN61000-6-4
　　并網(wǎng)認(rèn)證:VDE0126-1-1(德國(guó))
　　4、品牌與服務(wù)
　　建議購(gòu)買(mǎi)目前市場(chǎng)上口碑不錯(cuò)的品牌，因?yàn)橐话闫放菩蜗蠛玫墓荆ǔ?huì)在技術(shù)，以及維修服務(wù)上有較大的投資，能滿足對(duì)客戶的承諾。
工作環(huán)境編輯
1.光伏逆變器要求具有較高的效率。由于2011年太陽(yáng)電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽(yáng)電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。
2.光伏逆變器要求具有較高的可靠性。2012年光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過(guò)熱、過(guò)載保護(hù)等。
3.光伏逆變器要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽(yáng)電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽(yáng)電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V～16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。
4.光伏逆變器在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。
認(rèn)證編輯
認(rèn)證目的
并網(wǎng)逆變器除了需要完成正常商用/工業(yè)用電器設(shè)備的安規(guī)測(cè)試以及EMC(電磁兼容)測(cè)試以外,最重要的部分是完成各個(gè)國(guó)家不同的并網(wǎng)測(cè)試,以滿足各個(gè)國(guó)家不同的電力設(shè)施的供電參數(shù)以及電網(wǎng)波動(dòng)的保護(hù)需求.
只有在具有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室完成了這三部分的測(cè)試，并持有實(shí)驗(yàn)室出具的報(bào)告后,逆變器才可以取得當(dāng)?shù)氐牟⒕W(wǎng)許可,輸送電力到當(dāng)?shù)氐碾娏?并取得電網(wǎng)補(bǔ)貼. 　簡(jiǎn)而言之,沒(méi)有完成當(dāng)?shù)啬孀兤髡J(rèn)證測(cè)試的逆變器,是不被當(dāng)?shù)卣蛘唠娏驹S可接入到電網(wǎng)，那當(dāng)然你也就沒(méi)有資格獲取電網(wǎng)補(bǔ)貼。
逆變器在測(cè)試中
逆變器在測(cè)試中
測(cè)試項(xiàng)目
并網(wǎng)逆變器測(cè)試的項(xiàng)目必定包括三個(gè)部分：
安規(guī)測(cè)試部分 Electrical Safety
IEC EN 50178: Electronic equipment for use in power installations
IEC EN 62109-1/2
對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) GB17799.1，GB17799.3
測(cè)試項(xiàng)目舉例：
交流過(guò)電流測(cè)試
測(cè)試方法：
a.連接線路；
b.把控制面板上的AC_I的端子拔掉，在AC_I端子的2、4腳加入對(duì)應(yīng)等效電流的交流電壓信號(hào)。如圖4。電流等效電壓的關(guān)系：5A=1V。交流過(guò)電流整定值24A對(duì)應(yīng)的等效交流電壓為4.8Vrms.
c.電網(wǎng)頻率為50Hz，加入對(duì)應(yīng)頻率的交流電壓信號(hào)，從整定值的90%緩慢（0.1V步長(zhǎng)）增加到過(guò)流保護(hù)點(diǎn)，記錄此時(shí)電壓V1，換算成電流值；
d.交流電壓信號(hào)跳變：從0V開(kāi)始跳變到V1+0.2,從0V開(kāi)始跳變到過(guò)流保護(hù)整定值110%,從0V開(kāi)始跳變到過(guò)流保護(hù)整定值的150%,分別測(cè)量保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間；
e.電網(wǎng)的頻率設(shè)為60Hz，重復(fù)c～d步驟；
判定標(biāo)準(zhǔn)：
1、交流過(guò)流，保護(hù)裝置能正常動(dòng)作（查看GB信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑?并且LED屏上顯示故障一致；
2、保護(hù)點(diǎn)在保護(hù)整定值的5%內(nèi)，整定值最大不超過(guò)150%；
3、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在0.5秒以內(nèi)。
電磁兼容部分 EMC
IEC EN 61000-6-1; IEC EN 61000-6-3: emissions and immunity requirements for equipment in residential environments
IEC EN 61000-6-2; IEC EN 61000-6-4: emissions and immunity requirements for equipment in industrial environments
EMC CE
EMC CE
并網(wǎng)測(cè)試部分
對(duì)于并網(wǎng)測(cè)試部分,每個(gè)國(guó)家有不同的并網(wǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).
以歐洲主要的幾個(gè)新能源補(bǔ)貼較好的國(guó)家為例.
試驗(yàn)應(yīng)遵循各項(xiàng)配電網(wǎng)要求
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
意大利： Enel 配電網(wǎng)連接準(zhǔn)則 Guidelines for connections to the Enel Distribuzione grid 　CEI 0-21 A70
德國(guó)： DIN VDE 0126-1-1 & VDE 4105 　BDEW中壓電網(wǎng)
英國(guó)： G83-1 ENEA ER G59/1
西班牙： 第661/2007號(hào)皇家法令 RD 1663/2000
認(rèn)證周期及費(fèi)用
一般來(lái)說(shuō),單個(gè)國(guó)家的測(cè)試項(xiàng)目完全完成安規(guī),EMC以及并網(wǎng)測(cè)試項(xiàng)目需要兩個(gè)月的時(shí)間. 但是安規(guī)和EMC部分的測(cè)試結(jié)果可以相互參照,所以以歐洲為例. 安規(guī)和EMC測(cè)試只需要一次即可. 而每個(gè)國(guó)家的并網(wǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)雖然各為不同,但是在細(xì)節(jié)項(xiàng)目上多為重疊,只是區(qū)別對(duì)應(yīng)的參數(shù)不一致。但是每個(gè)國(guó)家的認(rèn)證機(jī)構(gòu)卻只是專長(zhǎng)于各自的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)于他國(guó)的標(biāo)準(zhǔn),往往是采取外包的方式.
所以對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō),最有效的方式是尋找具有資質(zhì)能力的實(shí)驗(yàn)室,一次性完成多個(gè)國(guó)家的并網(wǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。并由實(shí)驗(yàn)室代為申請(qǐng)各個(gè)國(guó)家的入網(wǎng)許可，同時(shí)可以取得各個(gè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的證書(shū)
歐洲最大的光伏實(shí)驗(yàn)室Eurotest
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系統(tǒng)成本編輯
在光伏逆變器中運(yùn)用新型SiCBJT可實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。
最近，碳化硅(SiC)的使用為BJT賦予了新的生命，生產(chǎn)出一款可實(shí)現(xiàn)更高功率密度、更低系統(tǒng)成本且設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)易的器件。SiCBJT運(yùn)用在光伏電源轉(zhuǎn)換器中時(shí)，可實(shí)現(xiàn)良好效率，并且(也許更重要的是)能夠使用更小、更便宜的元件，從而在系統(tǒng)級(jí)別上顯著降低成本。
在過(guò)去30多年中，諸如MOSFET和IGBT之類的CMOS替代產(chǎn)品在大多數(shù)電源設(shè)計(jì)中逐漸取代基于硅的BJT，但是今天，基于碳化硅的新技術(shù)為BJT賦予了新的意義，特別是在高壓應(yīng)用中。
碳化硅布局以同等或更低的損耗實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，并且在相同形狀因數(shù)的情況下可產(chǎn)生更高的輸出功率。運(yùn)用了SiCBJT的設(shè)計(jì)也將使用一個(gè)更小的電感，并且使成本顯著降低。雖然運(yùn)用碳化硅工藝生產(chǎn)的BJT相較于僅基于硅的BJT會(huì)更昂貴，但是使用SiC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可在其它方面節(jié)省設(shè)計(jì)成本，從而實(shí)現(xiàn)更低的整體成本。本文介紹的升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于光伏轉(zhuǎn)換階段，其充分利用SiCBJT的優(yōu)勢(shì)，在顯著降低系統(tǒng)成本的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)良好的效率。
碳化硅的優(yōu)勢(shì)
基于硅的BJT在高壓應(yīng)用中失寵有幾方面原因。首先，SiBJT中的低電流增益會(huì)形成高驅(qū)動(dòng)損耗，并且隨著額定電流的增加，損耗變得更糟。雙極運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致更高的開(kāi)關(guān)損耗，并且在器件內(nèi)產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)電阻?？煽啃砸彩且粋€(gè)問(wèn)題。在正向偏壓模式下運(yùn)行器件，可能會(huì)在器件中形成具有高電流集中的局部過(guò)溫，這可能導(dǎo)致器件發(fā)生故障。此外，電感負(fù)載切換過(guò)程中出現(xiàn)的電壓和電流應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)應(yīng)力超出漂移區(qū)，從而導(dǎo)致反向偏壓擊穿。這會(huì)嚴(yán)格限制反向安全工作區(qū)(RSOA)，意味著基于硅的BJT將不具有短路能力。
在運(yùn)用碳化硅的新型BJT中不存在同樣的問(wèn)題。與硅相比，碳化硅支持的能帶間隙是其三倍，可產(chǎn)生更大的電流增益，以及更低的驅(qū)動(dòng)損耗，因此BJT的效率更高。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍，因此器件不太容易受到熱擊穿影響，并且要可靠得多。碳化硅在更高的溫度下表現(xiàn)更出色，因此應(yīng)用范圍更為廣泛，甚至包括汽車環(huán)境。
從成本角度而言，碳化硅的高開(kāi)關(guān)頻率在硬件級(jí)可實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。雖然相較于基于純硅，基于碳化硅的BJT更昂貴，但SiC工藝的高功率密度將會(huì)轉(zhuǎn)換為更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散熱器和更小的過(guò)濾器元件。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，使用更昂貴的碳化硅BJT實(shí)際上更省錢(qián)，因?yàn)檎w系統(tǒng)的生產(chǎn)成本更低。我們?cè)O(shè)計(jì)的升壓轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子。它設(shè)計(jì)用于額定功率為17千瓦的光伏系統(tǒng)中，具有600伏的輸出電壓，輸入范圍為400到530V。
管理效率
BJT的驅(qū)動(dòng)器電路能夠減少損耗和提高系統(tǒng)效率。驅(qū)動(dòng)器做了兩件事：對(duì)器件電容迅速充放電，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān);確保連續(xù)提供基極電流，使晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)中保持飽和狀態(tài)。
為了支持動(dòng)態(tài)操作，15V的驅(qū)動(dòng)器電源電壓引起更快的瞬態(tài)變化，并提高性能。SiCBJT的閾值電壓約為3V。通常情況下無(wú)需使用負(fù)極驅(qū)動(dòng)電壓或米勒鉗位來(lái)提高抗擾度。
SiCBJT是一個(gè)“常關(guān)型”器件，并且僅在持續(xù)提供基極電流時(shí)激活。選擇靜態(tài)操作的基極電流值會(huì)涉及到傳導(dǎo)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗間的折衷平衡。盡管有較高的增益值(因此會(huì)形成較低的基極電流)，驅(qū)動(dòng)損耗對(duì)SiCBJT仍非常重要，由于SiC布局具有較寬能帶間隙，因此必須在基極和發(fā)射極間提供一個(gè)更高的正向電壓。將基極電流增加一倍，從0.5A增加到1A，僅降低正向等效電阻10%，因此需要降低傳導(dǎo)損耗，同時(shí)使飽和度轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高水平。這是我們?cè)O(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)樗鼤?huì)在更高的電流紋波下運(yùn)行。1A的基極電流會(huì)使開(kāi)關(guān)能力增加至40A
靜態(tài)驅(qū)動(dòng)損耗是選定驅(qū)動(dòng)電壓和輸入電壓的一個(gè)函數(shù)(間接表示占空比值)。實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)速度需要15V的驅(qū)動(dòng)電壓，產(chǎn)生約8W的損耗，主要集中在基極電阻上。為了彌補(bǔ)這方面的損耗，對(duì)于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)操作，我們通常使用兩個(gè)單獨(dú)的電源電壓。圖1提供了示意圖。高壓驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)會(huì)“中斷”，因此它僅在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間使能。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)階段使用較低電壓，從而可以降低靜態(tài)損耗，并在整個(gè)導(dǎo)通期間保持激活狀態(tài)。
使用兩個(gè)電源電壓降低損耗
使用兩個(gè)電源電壓降低損耗
圖1.使用兩個(gè)電源電壓降低損耗
減小濾波器的尺寸
在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，可降低無(wú)源元件的成本。為了進(jìn)一步提高功率密度，我們著眼于改善濾波器電感的方法。在評(píng)估了各種核心材料的能力后，我們選擇了一種使用Vitroperm500F(一種薄夾層式納米晶體材料)制成的新型磁芯材料。該材料產(chǎn)生的損耗低，且在高頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)良好。此外也可在高飽和磁通值下運(yùn)行，這意味著該材料比類似的鐵氧體磁芯(圖2右側(cè))要小得多。使用Virtoperm磁芯構(gòu)成的濾波電感器，約為參照系統(tǒng)的四分之一大小。
圖2顯示了在最大電流紋波(40%)下對(duì)于不同材料將電感器尺寸作為開(kāi)關(guān)頻率函數(shù)的因素。在此，我們假設(shè)電感量近似為電感值，而這又取決于峰值磁通密度和開(kāi)關(guān)頻率。在達(dá)到指定的臨界點(diǎn)(在100mW/cm時(shí)定義的特定損耗3)后，需要降低峰值磁通量以避免過(guò)熱，從而在該點(diǎn)之外運(yùn)行將不會(huì)導(dǎo)致其大小顯著減小。頻率一定時(shí)，Vitroperm500F可在所有材料中實(shí)現(xiàn)最佳性能。
比較
比較
圖2.用作頻率函數(shù)的不同芯材的電感器大小，以及與Vitroperm和鐵氧體磁芯的大小比較
圖3顯示了測(cè)得的效率級(jí)，包括采用兩階段解決方案的驅(qū)動(dòng)損耗。根據(jù)計(jì)算得出的損耗分布如下圖曲線所示。該系統(tǒng)可以在沒(méi)有達(dá)到臨界溫度或飽和度的情況下達(dá)到高電流負(fù)載。該兩階段驅(qū)動(dòng)解決方案會(huì)將驅(qū)動(dòng)損耗降低至輸入功率的0.02%左右。整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小，且更高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的過(guò)濾器元件。所有這些特性最終有助于降低系統(tǒng)成本。
原型圖
原型圖
圖3.48kHz時(shí)的效率和驅(qū)動(dòng)損耗，以及原型圖