中心議題：

• 太陽能逆變器設計的重要趨勢是采用更高的功率
• 太陽能逆變器設計的另一個趨勢是擴大輸入電壓範圍

解決方案：

• 升壓＋H-橋拓撲
• “最大功率點跟蹤”或MPPT的軟件技術
• 采用兩個交錯式升壓級來取代一個升壓級
• 額定開關電壓600V以上的輸入級采用1200V IGBT
• 額定電壓隻需600V/650V的輸入級選用MOSFET

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youyunengyuanchengbenriyipansheng，taiyangnengfadianzhengzhujianchengweiyixiangkexingdetidainengyuan。deguozhengfutongguolifa，tuichugezhongjilishouduanjijigulikezaishengnengyuandeshiyong(如《再生能源法》 “Energieeinspeisungsgesetz”)，受此驅使，至2007年，該國一直是全球最大的太陽能市場。而現在
，其它國家已超過德國，例如西班牙在2008年的新建太陽能發電廠數量居全球之冠，而意大利

、法fa國guo和he美mei國guo的de已yi安an裝zhuang太tai陽yang能neng發fa電dian容rong量liang預yu計ji將jiang呈cheng大da幅fu增zeng長chang。多duo種zhong激ji勵li措cuo施shi推tui動dong需xu求qiu走zou高gao，繼ji而er刺ci激ji產chan能neng增zeng長chang。但dan由you於yu最zui近jin全quan球qiu經jing濟ji危wei機ji的de爆bao發fa和he2008年西班牙對太陽能市場的激勵措施突然撤銷

，致使太陽能芯片供大於求，導致價格下跌40%-50%。 這使得光伏技術更接近所謂的“平價電價”(grid parity)目標
，亦即太陽能發電成本與目前電能市價相當。預計在2015年，德國將可實現均一電價。

太tai陽yang能neng模mo塊kuai產chan生sheng一yi個ge直zhi流liu電dian壓ya，太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi再zai把ba這zhe一yi直zhi流liu電dian能neng轉zhuan換huan為wei交jiao流liu電dian能neng，然ran後hou接jie入ru電dian網wang。本ben文wen將jiang探tan討tao太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi設she計ji的de最zui新xin趨qu勢shi。

其中一個重要趨勢是采用更高的功率。現在
，峰值發電量超過100kW的太陽能發電廠越來越普遍，而較小規模的發電係統也存在這種趨勢：平均功率從5kWp提高到10kWp。


升壓＋H-橋拓撲是太陽能逆變器極為常用的拓撲之一，是一種兩級非隔離拓撲。其第一級是升壓級
，用於把模塊的可變輸出電壓(例如100V – 500V)升高到更大的中間電壓
，後者必須大於實際峰值主線電壓(如230V x sqrt(2)
，或>325V)。該升壓級還有一個重要作用，就是為了實現效率最大化，太陽能模塊必須運作產生盡可能大的功率

，而太陽能模塊的功率 曲線可通過輸出電流乘以輸出電壓數值獲得。功率特性中有一個最大點
，被稱為“最大功率點”或MPP

，而這精確位置會隨著模塊的類型、溫度和日照陰影等因素而變化。


利用名為“最大功率點跟蹤”或MPPT的軟件技術，輔以定製化算法，逆變器的輸入級便可跟蹤這個最大功率點。[page]

逆變器的第二級把恒定的中間電壓轉換為50Hz的de交jiao流liu電dian壓ya，再zai饋kui入ru供gong電dian主zhu線xian。這zhe個ge輸shu出chu與yu供gong電dian主zhu線xian的de相xiang位wei及ji頻pin率lv同tong步bu。這zhe一yi級ji由you於yu與yu供gong電dian主zhu線xian連lian接jie，故gu即ji便bian在zai故gu障zhang狀zhuang態tai下xia也ye必bi須xu達da到dao一yi定ding的de安an全quan標biao準zhun。除chu此ci之zhi外wai
，還hai有you一yi個ge與yu低di壓ya指zhi令ling (Low Voltage Directive) 相關的VDE 0126-1-1新(xin)草(cao)案(an)，該(gai)提(ti)案(an)要(yao)求(qiu)太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)在(zai)電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)下(xia)降(jiang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)也(ye)應(ying)有(you)源(yuan)支(zhi)持(chi)主(zhu)供(gong)電(dian)網(wang)
，以(yi)盡(jin)量(liang)降(jiang)低(di)更(geng)具(ju)普(pu)遍(bian)性(xing)的(de)停(ting)電(dian)風(feng)險(xian)。在(zai)現(xian)有(you)法(fa)規(gui)限(xian)製(zhi)之(zhi)下(xia)
，是(shi) 可(ke)以(yi)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)在(zai)停(ting)電(dian)時(shi)能(neng)夠(gou)實(shi)時(shi)關(guan)斷(duan)逆(ni)變(bian)器(qi)，以(yi)實(shi)現(xian)自(zi)我(wo)保(bao)護(hu)。不(bu)過(guo)
，當(dang)太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)變(bian)得(de)普(pu)及(ji)
，並(bing)在(zai)總(zong)發(fa)電(dian)量(liang)中(zhong)占(zhan)有(you)可(ke)觀(guan)的(de)份(fen)額(e)時(shi)，如(ru)果(guo)一(yi)遇(yu)上(shang)停(ting)電(dian)便(bian)直(zhi)接(jie)關(guan)斷(duan)連(lian) 接jie的de太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi的de話hua，是shi可ke能neng造zao成cheng更geng大da規gui模mo的de主zhu電dian網wang停ting電dian的de
，因yin為wei這zhe樣yang逆ni變bian器qi便bian會hui一yi個ge接jie一yi個ge關guan斷duan，並bing迅xun速su減jian少shao電dian網wang中zhong的de電dian能neng。因yin此ci


，新xin的de指zhi令ling草cao案an旨zhi在zai提ti高gao主zhu幹gan 配電網的穩定性和電能質量
，而代價僅僅是使逆變器的輸出級稍微複雜一點。

太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi必bi須xu可ke靠kao，以yi盡jin量liang減jian小xiao維wei護hu和he停ting機ji檢jian修xiu的de成cheng本ben。這zhe些xie逆ni變bian器qi還hai必bi須xu具ju有you高gao效xiao


，以yi盡jin量liang增zeng大da發fa電dian量liang。太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi設she計ji人ren員yuan還hai需xu付fu出chu相xiang當dang的de努nu力li
，以yi盡jin可ke能neng地di提ti高gao效xiao率lv。

有很多方法能夠提高升壓逆變器的效率。由於升壓逆變器可在連續傳導模式或邊界傳導模式(CCM 或 BCM)下工作
，這就衍生出不同的優化方案。在CCM模式中，損耗的一大主因是升壓二極管的反向恢複電流
；在這種情況下，一般使用碳化矽二極管或飛兆半導體的Stealth 二極管來解決。太陽能逆變器更常采用的是BCM模式，而盡管對這類功率級通常建議選擇CCM模式，但采用BCM模式的原因在於BCM模式中二極管的正向電 壓要低得多。而且

，BCM模式也具有高得多的EMI濾波器和升壓電感紋波電流。這時，良好的高頻電感設計是一解決方案。

采cai用yong兩liang個ge交jiao錯cuo式shi升sheng壓ya級ji來lai取qu代dai一yi個ge升sheng壓ya級ji乃nai一yi種zhong新xin方fang法fa。這zhe樣yang一yi來lai，流liu經jing每mei個ge電dian感gan和he每mei個ge開kai關guan的de電dian流liu便bian能neng夠gou減jian半ban。另ling外wai，采cai用yong交jiao錯cuo式shi技ji術shu
，一yi級ji上shang的de紋wen波bo電dian流liu 可抵償另一級的紋波電流，因而可在很寬工作輸入範圍上去除輸入紋波電流。如FAN9612交錯式BCM PFC一類的控製完全能夠輕鬆滿足太陽能升壓級的要求。

逆變器中的升壓開關有兩個選擇：IGBT或 MOSFET。對於需要600V以上額定開關電壓的輸入級，常常會采用1200V IGBT快速開關，如FGL40N120AND。對於額定電壓隻需600V/650V的輸入級
，則選用MOSFET。

輸出H-橋級的設計人員一直以來都采用600V/650V MOSFET，但因為新的草案規範要求輸出級以四象限工作，於是在這一領域重新點燃了人們對IGBT的興趣。MOSFET雖然內置有體二極管
，但相比 IGBT中采用的組合封裝二極管

，其開關性能很差。新型的場截止IGBT能夠以10V/ns的速度轉換電壓，較之以往的舊式產品導通損耗大大改善。這種集成式二極管具有出色的軟恢複性能，有助於降低500A/us以上的高di/dt造成的EMI。對於16kHz-25kHz開關
，建議采用IGBT
，例如飛 兆半導體的 FGH60N60UFD。


太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)設(she)計(ji)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)趨(qu)勢(shi)是(shi)擴(kuo)大(da)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)
，這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)相(xiang)同(tong)功(gong)率(lv)級(ji)下(xia)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)的(de)減(jian)小(xiao)
，或(huo)相(xiang)同(tong)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)下(xia)功(gong)率(lv)級(ji)的(de)提(ti)高(gao)。輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)比(bi)較(jiao)高(gao)時(shi)
，需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)更(geng)高(gao)(1200V範圍內)的IGBT，從而產生更大的損耗。解決這一問題的一個方法是采用三電平逆變器。

采用兩個串聯的電解電容可把高輸入電壓一分為二
，將中間點與零線 (neutral line)連接，這時就可以再采用600V開關了。三電平逆變器可在三個電平間進行轉換：+Vbus
、0V 和 –Vbus。這方案除了比1200V開關構建的解決方案更有效之外
，三電平逆變器還有一個優勢，就是輸出電感大為減小。

對於整功率因數，三電平逆變器的功能可解釋如下。在正半波Q5始終導通期間
，Q6 和 Q4一直關斷。Q3 和 D3構成一個降壓轉換器
，產生輸出正弦波電壓。如果隻需要整功率因數

，Q5 和 Q6 可設計為 50Hz開關
，采用速度極慢Vce (飽和電壓)極低的IGBT，比如FGH30N60LSD。若需要較低的功率因數，Q5 和 Q6必須工作在開關頻率下一小段時間。Q3 和 Q4的二極管應該是快速軟恢複二極管。Q3 和 Q4可安排為快速恢複MOSFET
，比如FGL100N50F 
，或者是快速 IGBT，如FGH60N60SFD。

基於上述分析，三電平逆變器拓撲可獲得98%以上的效率，因此可能成為5kWp以上功率級非隔離逆變器的主流結構。