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)有無變壓器又可分為變壓器型逆變器和無變變壓器型逆變器。
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 簡介
2 發(fā)展
3 結(jié)構(gòu)原理
4 功能
5 分類
6 選購要素
7 工作環(huán)境
8 認(rèn)證
? 認(rèn)證目的
? 測試項(xiàng)目
? 認(rèn)證周期及費(fèi)用
9 系統(tǒng)成本
簡介編輯
通常，把將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流，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)逆變過程的裝置稱為逆變設(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。尤其在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器效率的高低是決定太陽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，是逆變開關(guān)電路，簡稱為逆變電路。該電路通過電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能。[1]
發(fā)展編輯
2005至2010年，全球光伏逆變器市場規(guī)模由10.7億美元增至71.8億美元，年復(fù)合增長率為46.3%。歐洲、亞太地區(qū)及北美地區(qū)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是光伏逆變器市場增長的主要推動(dòng)力。
2007年我國光伏新增裝機(jī)量僅20MW，到2010年國內(nèi)光伏新增裝機(jī)量約520MW，是2009年228MW裝機(jī)量的2倍多。2011年我國新增裝機(jī)量達(dá)到2.9GW，在全球排名第四。
2015年我國光伏逆變器需求量將達(dá)到5.0GW，2020年將達(dá)到10GW。
在我國“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)電市場的趨勢是向全產(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，就是這一趨勢的體現(xiàn)。
2010年，我國光伏并網(wǎng)容量達(dá)500兆瓦，逆變器市場在5億元左右。目前，“十二五”國內(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，國內(nèi)逆變器市場將達(dá)到100億元。
隨著光伏逆變器行業(yè)競爭的不斷加劇，大型光伏逆變器企業(yè)間并購整合與資本運(yùn)作日趨頻繁，國內(nèi)優(yōu)秀的光伏逆變器生產(chǎn)企業(yè)愈來愈重視對(duì)行業(yè)市場的研究，特別是對(duì)企業(yè)發(fā)展環(huán)境和客戶需求趨勢變化的深入研究。正因?yàn)槿绱?，一大批國?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)分市場熱點(diǎn)。組串型光伏逆變器單相產(chǎn)品以升壓電路+單相無變壓器拓?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)錇橹鳎瑫r(shí)包括無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，國際一流品牌的產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)98%以上。長壽命：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)過欠壓時(shí)保護(hù)、電網(wǎng)過欠頻時(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關(guān)元件構(gòu)成，通過有規(guī)則地讓開關(guān)元件重復(fù)開-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）。然后讓脈沖波通過簡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：檢測電流是300A左右，一般都會(huì)采用JCE308-TS7電流傳感器
250KW：檢測電流是500A左右，一般都會(huì)采用JCE508-TS6電流傳感器
500KW：檢測電流是1000A左右，一般會(huì)采用JCE1005-FS電流傳感器
1MW：檢測電流是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，目前國內(nèi)很多廠家都用開環(huán)電流傳感器來取代閉環(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)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。歸納起來有自動(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）、直流檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。這里簡單介紹自動(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，太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，太陽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)視太陽電池組件的輸出，只要太陽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
太陽電池組件的輸出是隨太陽輻射強(qiáng)度和太陽電池組件自身溫度（芯片溫度）而變化的。另外由于太陽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，獨(dú)立型并網(wǎng)用逆變器還可分為變壓器型逆變器和無變壓器型逆變器)。
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)在的中國已經(jīng)成了熱門行業(yè),短短幾年內(nèi)國內(nèi)光伏逆變器生產(chǎn)廠家如春筍般的誕生,不過如何選擇太陽能逆變器這個(gè)還是有一定的標(biāo)準(zhǔn)。
　　逆變器是太陽能光伏發(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，如過流/短路保護(hù)、過功率保護(hù)，過溫保護(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)
　　4、品牌與服務(wù)
　　建議購買目前市場上口碑不錯(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年太陽電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，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)，過熱、過載保護(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)測試以及EMC(電磁兼容)測試以外,最重要的部分是完成各個(gè)國家不同的并網(wǎng)測試,以滿足各個(gè)國家不同的電力設(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. 　簡而言之,沒有完成當(dāng)?shù)啬孀兤髡J(rèn)證測試的逆變器,是不被當(dāng)?shù)卣蛘唠娏驹S可接入到電網(wǎng)，那當(dāng)然你也就沒有資格獲取電網(wǎng)補(bǔ)貼。
逆變器在測試中
逆變器在測試中
測試項(xiàng)目
并網(wǎng)逆變器測試的項(xiàng)目必定包括三個(gè)部分：
安規(guī)測試部分 Electrical Safety
IEC EN 50178: Electronic equipment for use in power installations
IEC EN 62109-1/2
對(duì)應(yīng)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) GB17799.1，GB17799.3
測試項(xiàng)目舉例：
交流過電流測試
測試方法：
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）增加到過流保護(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開始跳變到V1+0.2,從0V開始跳變到過流保護(hù)整定值110%,從0V開始跳變到過流保護(hù)整定值的150%,分別測量保護(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)測試部分
對(duì)于并網(wǎng)測試部分,每個(gè)國家有不同的并網(wǎng)測試標(biāo)準(zhǔn).
以歐洲主要的幾個(gè)新能源補(bǔ)貼較好的國家為例.
試驗(yàn)應(yīng)遵循各項(xiàng)配電網(wǎng)要求
國家標(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： DIN VDE 0126-1-1 & VDE 4105 　BDEW中壓電網(wǎng)
英國： 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
一般來說,單個(gè)國家的測試項(xiàng)目完全完成安規(guī),EMC以及并網(wǎng)測試項(xiàng)目需要兩個(gè)月的時(shí)間. 但是安規(guī)和EMC部分的測試結(jié)果可以相互參照,所以以歐洲為例. 安規(guī)和EMC測試只需要一次即可. 而每個(gè)國家的并網(wǎng)測試標(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)國家的認(rèn)證機(jī)構(gòu)卻只是專長于各自的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)于他國的標(biāo)準(zhǔn),往往是采取外包的方式.
所以對(duì)企業(yè)來說,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)國家的并網(wǎng)測試標(biāo)準(zhǔn)。并由實(shí)驗(yàn)室代為申請各個(gè)國家的入網(wǎng)許可，同時(shí)可以取得各個(gè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的證書
歐洲最大的光伏實(shí)驗(yàn)室Eurotest
歐洲最大的光伏實(shí)驗(yàn)室Eurotest
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，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
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溫，這可能導(dǎo)致器件發(fā)生故障。此外，電感負(fù)載切換過程中出現(xiàn)的電壓和電流應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致電場應(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濾器元件。從長遠(yuǎn)來看，使用更昂貴的碳化硅BJT實(shí)際上更省錢，因?yàn)檎w系統(tǒng)的生產(chǎn)成本更低。我們設(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。通常情況下無需使用負(fù)極驅(qū)動(dòng)電壓或米勒鉗位來提高抗擾度。
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。這是我們設(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
在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，可降低無源元件的成本。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，且更高的開關(guān)頻率允許使用更小的過濾器元件。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