微型逆變器綜述與英飛凌解決方案

微型逆變器（Micro-inverter）作為組件級的電力電子設(shè)備（MLPE），能夠充分利用每塊光伏電池板，實(shí)現(xiàn)組件級的監(jiān)控與保護(hù)。并且由于其易于安裝，保修時(shí)間長，在戶用市場受到越來越多的重視。本文簡單介紹了微逆的發(fā)展歷程，解析了當(dāng)前常見的兩種微逆拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供了非常有競爭力的英飛凌解決方案。針對未來最有前景的基于Cyclo拓?fù)涞奈⒛妫攸c(diǎn)介紹了英飛凌的寬禁帶解決方案，為下一代的微逆提供一個(gè)展望的方向。

微逆概述

在新能源系統(tǒng)構(gòu)成中，除了集中式和組串式逆變器外，還有一種易于安裝、配置靈活的微型逆變器（Micro-inverter）。顧名思義，微型逆變器的功率較小，因此通常只連接一塊或幾塊太陽能電池板。作為逆變器，微逆需要將光伏板的低壓直流電，轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)所用的交流電。通常一塊光伏板電壓在50V左右，而交流電網(wǎng)電壓往往高達(dá)上百伏，這樣高的電壓/電流變比對變換器的增益有很高的要求。這時(shí)如果使用普通的非隔離PWM變換器，開關(guān)管工作的占空比會很大或者很小，變換器的效率很低，功率器件的應(yīng)力也比較大。自然而然地，在變換器中引入耦合電感或者變壓器，通過匝比來實(shí)現(xiàn)電壓匹配成為在微逆中的優(yōu)選方案。

從功能上來說，微逆需要具備快速關(guān)斷(Rapid Shut Down,RSD)，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，逆變(Inverter)三種功能。RSD在2014年在NEC上被提出來，旨在發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)快速切斷光伏電池板與直流母線的連接，保證消防員的安全。MPPT是光伏行業(yè)人員都非常熟悉的，在之前的文章中也有介紹。但與傳統(tǒng)集中式或組串式MPPT電路不同，在微逆中該功能的實(shí)現(xiàn)并不一定采用Boost來升壓，也有使用Buck、全橋、反激等電路的，這主要與后級電路的多樣性有關(guān)。

微逆的電路拓?fù)?/p>

從電路結(jié)構(gòu)上而言，微型逆變器經(jīng)歷了從多級式到兩級式，再到單級式的歷程[1]。電能從光伏電池板輸出到與交流電網(wǎng)并聯(lián)，中間經(jīng)過的轉(zhuǎn)換級數(shù)越少，效率往往越高。多級式或者兩級式微逆如圖1所示，由前級DC/DC加后級DC/AC構(gòu)成，前級DC/DC具備MPPT與升壓功能，將電壓抬升至逆變所需直流母線電壓，后級DC/AC逆變并網(wǎng)。

圖1.兩級型微型逆變器

圖2.單級型微型逆變器

兩級式的微逆還有兩種細(xì)分類型——電壓源型和電流源型。電壓源型控制交流側(cè)的輸出電壓，前級DC/DC的輸出如圖3是一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，這種結(jié)構(gòu)的微逆后級DC/AC工作在高頻狀態(tài)。電流源型的微逆主控量則是電流，其直流側(cè)輸出不再是穩(wěn)定的直流，而是如圖4所示這種帶交流分量的“饅頭波”，后級的工頻極性轉(zhuǎn)換電路將此饅頭波分正負(fù)輸出，形成并網(wǎng)的正弦波。這種電流源型的微逆相比于電壓型微逆而言，器件的電壓應(yīng)力更小，結(jié)構(gòu)與控制更簡單，在目前主流的微逆機(jī)型中被廣泛應(yīng)用。

圖3.電壓源型微逆的DC輸出

圖4.電流源型微逆的DC輸出

兩級式微逆的DC/DC

兩級式的微型逆變器前級的DC/DC考慮到電壓傳輸比的問題，往往采用圖5和圖6所示的DAB、反激這樣的隔離拓?fù)?。如何?yōu)化這兩種隔離拓?fù)涞臒o源器件設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)以減小開關(guān)損耗提高功率密度，都是微逆中重點(diǎn)研究的內(nèi)容[2]。DAB拓?fù)淇梢杂行Ю米儔浩鞯穆└袑?shí)現(xiàn)ZVS，開關(guān)頻率可以達(dá)到百kHz以上，并且其器件電壓應(yīng)力更低，只是器件數(shù)量更多一些。反激型微逆拓?fù)涓鼮楹唵?，但是主動管的電壓?yīng)力較高，如果所用變壓器的漏感較大，則所需主動管的耐壓可能高達(dá)電池板電壓的3-4倍。如果設(shè)計(jì)在CCM模式下，一般定頻工作，控制更為簡單，EMC也更為友好；若是設(shè)計(jì)在BCM或者DCM模式下，一般是變頻工作但能實(shí)現(xiàn)ZVS。當(dāng)然，也有給反激電路增加額外電路來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的做法。總體來說，雖然反激電路本身比較簡單常用，但其在微逆領(lǐng)域的應(yīng)用還有不少值得研究的技術(shù)點(diǎn)。

圖5.DAB型DC/DC

圖6.反激型DC/DC

對于采用DAB的微逆拓?fù)?，英飛凌有表1所示的解決方案。

表1.微逆中的DAB解決方案

若是采用反激電路作為DC/DC級，表2給出了英飛凌的解決方案。即將推出的150V OptiMOS? 6 相比于上一代的OptiMOS? 5，如圖7所示Rdson降低30%以上，開關(guān)損耗也有較大的降低。既有適用于軟開關(guān)的ISC0x系列，也有適用于硬開關(guān)場合的IPT02x系列。

表2.微逆中的反激電路解決方案

圖7.OptiMOS? 6的性能提升

兩級式微逆的DC/AC電路

如前面所言，電壓型和電流型微逆都有一個(gè)DC/AC電路，只是電流源型所需的是工頻的電路而電壓源型所需是高頻開關(guān)。圖8這種Unfolding電路結(jié)構(gòu)簡單，MOSFET工作在工頻狀態(tài)，主要損耗為導(dǎo)通損耗，600V-950V CoolMOS? P7甚至1200V的IGBT都適用于這種場合。圖9這種全橋電路是典型的電壓源型逆變器，其中一個(gè)橋臂工作在工頻狀態(tài)，另一橋臂則高頻開關(guān)以減小輸出電壓的諧波。最優(yōu)化的設(shè)計(jì)自然是根據(jù)工作狀態(tài)的不同為兩橋臂選擇不同的MOSFET，只是也可以從600V-950V CoolMOS? P7進(jìn)行選擇。從拓?fù)湟部梢钥闯?，Unfolding電路由于器件特性，對于無功補(bǔ)償?shù)哪芰τ邢?；全橋逆變電路可以雙向運(yùn)行，自然有充足的無功補(bǔ)償能力，但是需要增加額外的LCL濾波器。

圖8.Unfolding電路

圖9.全橋DC/AC電路

單級型微逆

單級型的微逆的結(jié)構(gòu)如圖2，它沒有直流母線，通過高頻的交-交變換，實(shí)現(xiàn)從低壓直流到高壓交流的能量傳遞[3]，當(dāng)下被研究最多的是圖10所示的周波變換器(Cyclo-converter)。由于其變換級數(shù)少，并且可以在大多數(shù)工況實(shí)現(xiàn)ZVS，其效率可以高達(dá)97.5%以上。但是這種拓?fù)涠鄠€(gè)功能都需要由一級電路里的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)，這給控制帶來了挑戰(zhàn)。并且由于周波變換器開關(guān)管的工作頻率較高，如何使得大部分工況下的大部分開關(guān)管處在軟開關(guān)狀態(tài)，也成為當(dāng)前在Cyclo微型逆變器拓?fù)溲芯恐械臒狳c(diǎn)[4]。

將諧振變換器與Cyclo變換器結(jié)合，又可以得到圖11所示的諧振型Cyclo。這種拓?fù)涑俗匀坏腪VS之外，還能提供開關(guān)頻率、原副邊移相角、橋臂內(nèi)移相角等多控制自由度，為MPPT控制、功率控制以及無功補(bǔ)償提供了控制上的可能。

圖10.Cyclo Inverter

圖11.諧振型Cyclo Inverter

對于Cyclo變換器，英飛凌有多種解決方案。傳統(tǒng)的Si解決方案與DAB方案類似，見表3 Cyclo Inverter的傳統(tǒng)Si解決方案。

表3.Cyclo Inverter的傳統(tǒng)Si解決方案

英飛凌在收購了GaN System?之后，擁有更齊全的GaN產(chǎn)品路線。GaN作為寬禁帶器件，本身的扁平結(jié)構(gòu)非常適合在微逆中應(yīng)用，并且其開關(guān)損耗很低，幾乎沒有反向恢復(fù)能量，可以將微逆的開關(guān)頻率推到很高，進(jìn)一步減小電感、電容尺寸。特別對于交流側(cè)的雙向開關(guān)，英飛凌即將推出基于GaN的雙向開關(guān)BDS，在單晶圓上實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)一步減小尺寸與封裝成本。

圖12.BDS示意

表4.Cyclo Inverter的GaN解決方案

微逆作為一種模塊化組件，有很多值得研究的問題。比如市面上大多數(shù)的微逆都要求有25年的質(zhì)保以匹配組件的壽命，需要去除電解電容，如何高效解耦值得研究；Cyclo Inverter多個(gè)控制自由度如何配合，能夠全范圍ZVS并且有效抑制抑制過零點(diǎn)的電壓尖峰等都有大量學(xué)者和工程師在研究。

審核編輯 黃宇