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(jí)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(jí)的監(jiān)控與保護(hù)。并且由于其易于安裝，保修時(shí)間長(zhǎng)，在戶(hù)用市場(chǎng)受到越來(lái)越多的重視。本文簡(jiǎn)單介紹了微逆的發(fā)展歷程，解析了當(dāng)前常見(jiàn)的兩種微逆拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供了非常有競(jìng)爭(zhēng)力的英飛凌解決方案。針對(duì)未來(lái)最有前景的基于Cyclo拓?fù)涞奈⒛?，重點(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(yáng)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(duì)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(kāi)關(guān)管工作的占空比會(huì)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(guò)匝比來(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)，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(lái)升壓，也有使用Buck、全橋、反激等電路的，這主要與后級(jí)電路的多樣性有關(guān)。

微逆的電路拓?fù)?/strong>

從電路結(jié)構(gòu)上而言，微型逆變器經(jīng)歷了從多級(jí)式到兩級(jí)式，再到單級(jí)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(guò)的轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)越少，效率往往越高。多級(jí)式或者兩級(jí)式微逆如圖1所示，由前級(jí)DC/DC加后級(jí)DC/AC構(gòu)成，前級(jí)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(jí)DC/AC逆變并網(wǎng)。

圖1.兩級(jí)型微型逆變器

圖2.單級(jí)型微型逆變器

兩級(jí)式的微逆還有兩種細(xì)分類(lèi)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(jí)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(jí)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(jí)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(jiǎn)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(jí)式微逆的DC/DC

兩級(jí)式的微型逆變器前級(jí)的DC/DC考慮到電壓傳輸比的問(wèn)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(wú)源器件設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)以減小開(kāi)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(kāi)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?jiǎn)單，但是主動(dòng)管的電壓應(yīng)力較高，如果所用變壓器的漏感較大，則所需主動(dòng)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(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的做法?？傮w來(lái)說(shuō)，雖然反激電路本身比較簡(jiǎn)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(duì)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(jí)，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(kāi)關(guān)損耗也有較大的降低。既有適用于軟開(kāi)關(guān)的ISC0x系列，也有適用于硬開(kāi)關(guān)場(chǎng)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(jí)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(kāi)關(guān)。圖8這種Unfolding電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(kāi)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(duì)于無(wú)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(wú)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(jí)型微逆

單級(jí)型的微逆的結(jié)構(gòu)如圖2，它沒(méi)有直流母線，通過(guò)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(jí)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(jí)電路里的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，這給控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)。并且由于周波變換器開(kāi)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(kāi)關(guān)管處在軟開(kāi)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(kāi)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(wú)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(duì)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(lèi)似，見(jiàn)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(gòu)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(kāi)關(guān)損耗很低，幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)能量，可以將微逆的開(kāi)關(guān)頻率推到很高，進(jìn)一步減小電感、電容尺寸。特別對(duì)于交流側(cè)的雙向開(kāi)關(guān)，英飛凌即將推出基于GaN的雙向開(kāi)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(wèn)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(guò)零點(diǎn)的電壓尖峰等都有大量學(xué)者和工程師在研究。英飛凌將與產(chǎn)業(yè)界一起推動(dòng)微逆的發(fā)展與進(jìn)步，在后續(xù)文章中也會(huì)針對(duì)大家感興趣的點(diǎn)再進(jìn)行深入討論。