确保太阳能逆变器效率的解决方案

由于对可再生能源的需求，太阳能逆变器(光伏逆变器)市场持续增长。 然而，这些逆变器需要极高的效率和可靠性。 本文对这些逆变器中使用的电源电路进行了研究，并推荐了开关和整流器件的较佳选择。 光电逆变器的总体结构如图1所示。有三种不同的逆变器可供选择。 阳光照射在串联的太阳能模块上，每个模块包含一组串联的太阳能电池(solar cells)。 太阳能模块产生的直流(DC)电压约为几百伏，具体值取决于模块阵列的照明条件、电池温度和串联模块的数量。 这种逆变器的主要功能是将输入DC电压转换为稳定值 该功能由升压转换器实现，需要升压开关和升压二极管。 在*结构中，升压级之后是隔离式全桥转换器 全桥式变压器的功能是提供隔离 输出端的第二个全桥转换器用于将DC转换为*级全桥转换器的交流电压。 其输出在通过额外的双触点继电器开关连接到交流电网之前经过滤波，以便在发生故障时提供安全隔离，并在夜间与电网隔离。 第二种结构是非隔离方案 其中，交流交流电压由升压级输出的直流电压直接产生 第三种结构采用功率开关和功率二极管的创新拓扑，将升压和交流发电部分的功能集成到专用拓扑中。 虽然太阳能电池板的转换效率很低，但是使逆变器的效率尽可能接近100%是非常重要的 在德国，安装在朝南屋顶的3kW系列模块预计每年发电量为2550千瓦小时。 如果逆变器效率从95%提高到96%，每年可以产生25千瓦小时以上的功率。 使用额外的太阳能模块产生25千瓦小时的成本相当于增加一个逆变器。 由于将效率从95%提高到96%不会使逆变器的成本增加一倍，因此投资更多逆变器是必然的选择。 对于新兴设计，使用zui提高逆变器效率的成本效益是关键设计标准。 逆变器的可靠性和成本是另外两个设计标准。 更高的效率可以减少负载循环中的温度波动，从而提高可靠性。因此，这些标准实际上是相关的。 模块的使用也提高了可靠性。 所有拓扑都需要快速开关电源开关。 升压级和全桥转换级需要快速转换二极管 此外，针对低频(100赫兹)转换而优化的开关也适用于这些拓扑 对于任何特定的硅技术，针对快速开关优化的开关比针对低频开关应用优化的开关具有更高的传导损耗 二 升压级的开关和二极管升压级通常设计为连续电流模式转换器 根据逆变器使用的阵列中太阳能模块的数量，选择是使用600伏还是1200伏设备。 功率开关的两种选择是场效应晶体管和IGBT。 一般来说，金属氧化物半导体场效应晶体管可以在比IGBT更高的开关频率下工作 此外，必须始终考虑体二极管的影响:升压级没有问题，因为体二极管在正常工作模式下不导通。 场效应晶体管的传导损耗可以根据传导阻抗RDS(开)来计算，传导阻抗RDS(开)与给定场效应晶体管系列的有效管芯面积成比例。 当额定电压从600伏变为1200伏时，场效应晶体管的导通损耗将大大增加。因此，即使额定RDS(开)相等，1200伏金属氧化物半导体场效应晶体管也不可用或价格太高。 对于600伏额定升压开关，可以使用超结金属氧化物半导体场效应晶体管 对于高频开关应用，该技术具有极佳的zui传导损耗 目前，TO-247封装中的导通电阻小于100毫欧的MOSFET和导通电阻小于50毫欧的MOSFET已上市 IGBT是需要1200伏电源开关的太阳能逆变器的合适选择 先进的IGBT技术，如《不扩散条约》沟槽和《不扩散条约》场限，经过优化以减少传导损耗，但代价是开关损耗更高，这使得它们不太适合高频应用。 飞兆半导体(Fairchild Semiconductor)基于旧的NPT平面技术开发了器件FGL40N120AND，可以提高高开关频率升压电路的效率。它具有43uJ的EOFF，与使用更先进技术设备的80uJ和A相比，但很难获得这样的性能。 FGL40N120AND器件的缺点是饱和压降VCE(SAT)(3.0V对125℃的2.1V)很高，但是它在高升压开关频率下的低开关损耗的优点足以弥补所有这些。 该器件还集成了反并联二极管。 在正常升压操作下，二极管不会导通 然而，在启动或瞬态条件下，升压电路可以被驱动到工作模式，此时反并联二极管将导通 由于IGBT本身没有本征体二极管，因此需要这种共封装二极管来确保可靠的工作。 升压二极管需要秘密操作吗？或者快速恢复二极管，例如碳硅二极管 碳硅二极管具有非常低的直流电压和损耗 然而，他们的价格目前非常高。 选择升压二极管时，必须考虑反向恢复电流(或碳硅二极管的结电容)对升压开关的影响，因为这会导致额外的损耗。 这里，新推出的秘密行动二二极管FFP08S60S可以提供更高的性能。 当VDD = " 390伏"、识别码="8A "、di/dt = 200安和美国，且外壳温度为100℃时，计算出的开关损耗低于FFP08S60S的参数205mJ 使用ISL9R860P2保密动作二极管，该值为225mJ。 因此，这也提高了逆变器在高开关频率下的效率。 三 在对桥接级和专用级进行开关和二极管滤波后，输出电桥产生50Hz正弦电压和电流信号 常见的实现方案是采用标准全桥结构(图2) 在图中，如果左上方和右下方开关打开，则在左端子和右端子之间施加正电压。当右上和左下开关接通时，在左右端子之间施加负电压 对于这种应用，在特定时间段内只有一个开关打开 一个开关可以切换到脉宽调制高频，而另一个开关处于50Hz低频 由于自举电路取决于低端器件的转换，低端器件切换到脉宽调制高频，而器件切换到50Hz低频。 该应用使用600伏电源开关，因此600伏超级结金属氧化物半导体场效应晶体管非常适合这种高速开关器件。 由于开关开启时，这些开关器件将接收来自其他器件的所有反向恢复电流，因此快速恢复600VFCH47N60F等超级结器件是理想选择。 其导通电阻(RDS)为73毫欧，与其他类似的快速恢复装置相比，其传导损耗非常低。 当器件切换到50Hz时，不需要使用快速恢复特性。 这些器件具有出色的dv/dt和di/dt特性。比较标准的超结金属氧化物半导体场效应晶体管可以提高系统的可靠性。 另一个值得探索的选择是使用FGH30N60LSD设备。 这是一款30A/600 VIGGT，饱和电压VCE仅为1.1V 它的关断损耗EOFF非常高，高达10mJ，因此它只适用于低频转换。 50毫欧金属氧化物半导体场效应晶体管在工作温度下的导通阻抗为100毫欧 因此，在11A，VDS与IGBT的VCE相同 因为这个IGBT是基于旧的分解技术，VCE(卫星)随温度变化很小。 因此，这种IGBT可以降低输出电桥的整体损耗，从而提高逆变器的整体效率。 FGH 30 N 60 LSD IGBT每半个周期从一种功率转换技术切换到另一种专用拓扑也非常有用 IGBT在这里被用作拓扑交换机 传统的快速恢复超级结器件用于更快的转换 对于1200伏专用拓扑和全桥结构，上述FGL40N120AND非常适用于新型高频太阳能逆变器的开关。 当特殊技术需要二极管时，隐蔽操作二、超像散二极管和碳硅二极管是很好的解决方案。

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