逆變器的中心議題：

• 太陽能對逆變器的要求
• 太陽能逆變器的原理及架構
• 太陽能逆變器的智能控製

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發展逆變器技術是太陽能應用提出的要求，本文介紹了太陽能逆變器的原理及架構，著重介紹了IGBT和MOSFET技術
，實現智能控製是發展太陽能逆變器技術的關鍵。

一
、太陽能對逆變器的要求

通tong過guo太tai陽yang能neng光guang伏fu技ji術shu將jiang太tai陽yang輻fu射she轉zhuan換huan成cheng電dian能neng是shi現xian在zai市shi麵mian上shang最zui有you效xiao也ye是shi最zui具ju發fa展zhan潛qian力li的de可ke再zai生sheng能neng源yuan技ji術shu。現xian在zai，普pu通tong太tai陽yang能neng光guang伏fu係xi統tong都dou是shi由you許xu多duo緊jin密mi相xiang連lian的de太tai陽yang能neng電dian池chi板ban組zu成cheng。這zhe些xie電dian池chi板ban先xian分fen組zu串chuan聯lian
，再zai將jiang不bu同tong的de串chuan聯lian電dian池chi組zu並bing聯lian起qi來lai形xing成cheng電dian池chi陣zhen列lie。

muqianwoguoguangfufadianxitongzhuyaoshizhiliuxitong
，jijiangtaiyangdianchifachudediannenggeixudianchichongdian，erxudianchizhijiegeifuzaigongdian，ruwoguoxibeidiqushiyongjiaoduodetaiyangnenghuyongzhaomingxitongyijiyuanlidianwangdeweibozhangongdianxitongjunweizhiliuxitong。cileixitongjiegoujiandan，chengbendilian，danyouyufuzaizhiliudianyadebutong（如12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ等）

，hennanshixianxitongdebiaozhunhuahejianrongxing，tebieshiminyongdianli

，youyudaduoweijiaoliufuzai，yizhiliudianligongdiandeguangfudianyuanhennanzuoweishangpinjinrushichang。guangfufadianzuizhongjiangshixianbingwangyunxing
，zhejiubixucaiyongchengshudeshichangmoshi
，jinhoujiaoliuguangfufadianxitongbijiangchengweiguangfufadiandezhuliu。

太陽能逆變器是一種功率電子電路
，能把太陽能電池板的直流電壓轉換為交流電壓來驅動家用電器、照明及電機工具等交流負載
，是整個太陽能發電係統的關鍵組件。逆變器有兩個基本功能：一方麵是為完成DC/AC轉換的電流連接到電網

，另一方麵是找出最佳的操作點以優化太陽能光伏係統的效率。對於特定的太陽光輻射、溫wen度du及ji電dian池chi類lei型xing，太tai陽yang能neng光guang伏fu係xi統tong都dou相xiang應ying有you唯wei一yi的de最zui佳jia電dian壓ya及ji電dian流liu，從cong而er使shi光guang伏fu係xi統tong產chan生sheng最zui大da的de能neng量liang。因yin此ci，在zai太tai陽yang能neng應ying用yong中zhong對dui逆ni變bian器qi必bi須xu滿man足zu以yi下xia基ji本ben要yao求qiu：

1.要求具有較高的效率。由於目前太陽電池的價格偏高
，為了最大限度地利用太陽電池，提高係統效率

，必須設法提高逆變器的效率。

2.要yao求qiu具ju有you較jiao高gao的de可ke靠kao性xing。目mu前qian光guang伏fu發fa電dian係xi統tong主zhu要yao用yong於yu邊bian遠yuan地di區qu，許xu多duo電dian站zhan無wu人ren值zhi守shou和he維wei護hu
，這zhe就jiu要yao求qiu逆ni變bian器qi具ju有you合he理li的de電dian路lu結jie構gou，嚴yan格ge的de元yuan器qi件jian篩shai選xuan，並bing要yao求qiu逆ni變bian器qi具ju備bei各ge種zhong保bao護hu功gong能neng，如ru輸shu入ru直zhi流liu極ji性xing接jie反fan保bao護hu
，交jiao流liu輸shu出chu短duan路lu保bao護hu
，過guo熱re、過載保護等。

3.要(yao)求(qiu)直(zhi)流(liu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)有(you)較(jiao)寬(kuan)的(de)適(shi)應(ying)範(fan)圍(wei)
，由(you)於(yu)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)的(de)端(duan)電(dian)壓(ya)隨(sui)負(fu)載(zai)和(he)日(ri)照(zhao)強(qiang)度(du)而(er)變(bian)化(hua)，蓄(xu)電(dian)池(chi)雖(sui)然(ran)對(dui)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)
，但(dan)由(you)於(yu)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)隨(sui)蓄(xu)電(dian)池(chi)剩(sheng)餘(yu)容(rong)量(liang)和(he)內(nei)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)而(er)波(bo)動(dong)
，特(te)別(bie)是(shi)當(dang)蓄(xu)電(dian)池(chi)老(lao)化(hua)時(shi)其(qi)端(duan)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)很(hen)大(da)，如(ru)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範圍內保證正常工作，並保證交流輸出電壓的穩定。

4.在中
、大容量的光伏發電係統中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由於在中
、大(da)容(rong)量(liang)係(xi)統(tong)中(zhong)
，若(ruo)采(cai)用(yong)方(fang)波(bo)供(gong)電(dian)
，則(ze)輸(shu)出(chu)將(jiang)含(han)有(you)較(jiao)多(duo)的(de)諧(xie)波(bo)分(fen)量(liang)，高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)將(jiang)產(chan)生(sheng)附(fu)加(jia)損(sun)耗(hao)，許(xu)多(duo)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)負(fu)載(zai)為(wei)通(tong)信(xin)或(huo)儀(yi)表(biao)設(she)備(bei)
，這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)對(dui)電(dian)網(wang)品(pin)質(zhi)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)
，當(dang)中(zhong)
、大容量的光伏發電係統並網運行時，為避免與公共電網的電力汙染，也要求逆變器輸出正弦波電流。

二、太陽能逆變器的原理及架構

通常把交流電能變換成直流電能的過程稱之為整流
，相控整流是最常見的交-直流變換過程；erbazhiliudiannengbianhuanchengjiaoliudiannengdeguochengchengzhiweinibian，tashizhengliudeniguocheng。zainibiandianluzhong，anzhaofuzaixingzhidebutong
，nibianfenweiyouyuannibianhewuyuannibian。ruguobagaidianludejiaoliucejiedaojiaoliudianyuanshang，bazhiliudiannengjingguozhi-交流變換

，逆變成與交流電源同頻率的交流電返送到電網上去
，稱作有源逆變。相應的裝置稱為有源逆變器

，控製角大於90°的(de)相(xiang)控(kong)整(zheng)流(liu)器(qi)為(wei)常(chang)見(jian)的(de)有(you)源(yuan)逆(ni)變(bian)器(qi)。而(er)把(ba)直(zhi)流(liu)電(dian)能(neng)變(bian)換(huan)為(wei)交(jiao)流(liu)電(dian)能(neng)，直(zhi)接(jie)向(xiang)非(fei)電(dian)源(yuan)負(fu)載(zai)供(gong)電(dian)的(de)電(dian)路(lu)
，稱(cheng)之(zhi)為(wei)無(wu)源(yuan)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)，又(you)稱(cheng)為(wei)變(bian)頻(pin)器(qi)。

逆變器類型有他勵逆變器、自勵逆變器

、脈寬調製（PWM）型逆變器。其中他勵逆變器需要外部交流電壓源，給晶閘管提供整流電壓。他勵逆變器主要應用在大功率並網情況下

；對於功率低於1MW 的光伏發電係統
，主要采用自勵逆變器方式。自勵逆變器不需要外部交流電壓源
，整流電壓由逆變器的一部分儲能元件（比如電容）來提供或者通過增加待關斷整流閥（像MOSFET 或IGBT）的電阻值來實現。輸出電壓被脈衝調製的自勵逆變器被稱為脈衝逆變器。這種逆變器通過增加周期內脈衝的切換次數，來降低電壓、電流的諧波含量；諧波含量與脈衝切換次數呈正比。目前，並網逆變器的輸出控製模式主要有兩種：dianyaxingkongzhimoshihedianliuxingkongzhimoshi。dianyaxingkongzhimoshideyuanlishiyishuchudianyazuoweishoukongliang
，xitongshuchuhedianwangdianyatongpintongxiangdedianyaxinhao，zhenggexitongxiangdangyuyigeneizuhenxiaodeshoukongdianyayuan
；電(dian)流(liu)型(xing)控(kong)製(zhi)模(mo)式(shi)的(de)原(yuan)理(li)則(ze)是(shi)以(yi)輸(shu)出(chu)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)作(zuo)為(wei)受(shou)控(kong)目(mu)標(biao)，係(xi)統(tong)輸(shu)出(chu)和(he)電(dian)網(wang)電(dian)壓(ya)同(tong)頻(pin)同(tong)相(xiang)的(de)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)，整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)內(nei)阻(zu)較(jiao)大(da)的(de)受(shou)控(kong)電(dian)流(liu)源(yuan)。

目前，太陽能逆變器已有多種拓撲結構
，最常見的是用於單相的半橋、全橋和Heric(Sunways專利)逆變器，以及用於三相的六脈衝橋和中點鉗位（NPC）逆變器。太陽能逆變器的典型架構一般采用四個開關的全橋拓撲，如圖1所示。

在圖1中
， Q1 和Q3被指定為高壓側IGBT，Q2 和Q4 則是低壓側 IGBT。該gai逆ni變bian器qi用yong於yu在zai其qi目mu標biao市shi場chang的de頻pin率lv和he電dian壓ya條tiao件jian下xia，產chan生sheng單dan相xiang位wei正zheng弦xian電dian壓ya波bo形xing。有you些xie逆ni變bian器qi用yong於yu連lian接jie淨jing計ji量liang效xiao益yi電dian網wang的de住zhu宅zhai安an裝zhuang，這zhe就jiu是shi其qi中zhong一yi個ge目mu標biao應ying用yong市shi場chang
，此ci項xiang應ying用yong要yao求qiu逆ni變bian器qi提ti供gong低di諧xie波bo交jiao流liu正zheng弦xian電dian壓ya，讓rang力li可ke注zhu入ru電dian網wang中zhong。 實質上，為保持諧波分量低和功率損耗最小，逆變器的高壓端IGBT采用脈寬調製(PWM)

，低壓端IGBT則以60Hz頻率變換電流方向。通過讓高壓端 IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM頻率和50/60Hz調製方案，輸出電感L1和L2在實例中可以做得很小，並且照樣能對諧波分量進行高效濾波。與快速和標準速度的平麵器件相比
，開關速度為20kHz的超快速溝道型IGBT可以提供最低的總導通損耗和開關功率損耗。同樣
，對於低壓端開關電路
，工作在60Hz的標準速度IGBT可以提供最低的功率損耗。
[page]
這個設計中的開關技術具有如下優勢：通過允許高壓端和低壓端IGBT獨立優化實現很高的效率；高壓端、同封裝的軟恢複二極管沒有續流時間，從而消除了不必要的開關損耗；低壓端IGBT的開關頻率隻有60Hz，因此導通損耗是這些IGBT的主要因素；沒有交叉導通，因為任何時間點的開關都發生在對角的兩個器件上(Q1和Q4或Q2和Q3)；不存在總線直通的可能性，因為橋的同一邊上的IGBT永遠不可能以互補方式開關；跨接低壓端IGBT的同封裝、超快速、軟恢複二極管經過優化可以使續流和反向恢複期間的損耗達到最小。

三、IGBT抑或MOSFET

在太陽能轉換過程中，有各種先進的功率器件可以使用，比如MOSFET


、雙極結晶體管(BJT)和IGBT。為取得最佳的轉換效率和性能，為太陽能逆變器選擇正確的功率晶體管極具挑戰性

，而且非常耗時。

多年來的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的優勢，其中包括更強的電流處理能力
、用電壓(而不是電流)方便地實現柵極控製，以及在封裝內集成超快速恢複二極管實現更快的關斷時間。 IGBT是(shi)一(yi)種(zhong)少(shao)數(shu)載(zai)流(liu)子(zi)器(qi)件(jian)，它(ta)的(de)關(guan)斷(duan)時(shi)間(jian)取(qu)決(jue)於(yu)少(shao)數(shu)載(zai)流(liu)子(zi)重(zhong)新(xin)組(zu)合(he)的(de)速(su)度(du)
，因(yin)此(ci)，隨(sui)著(zhe)最(zui)近(jin)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)和(he)器(qi)件(jian)結(jie)構(gou)的(de)改(gai)進(jin)，它(ta)的(de)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)已(yi)得(de)到(dao)顯(xian)著(zhu)增(zeng)強(qiang)。

IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結構的雙極型晶體管 (BJT) 。這種設計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控製開關。作為一種BJT
，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時
，IGBT亦如BJT一樣是一種少數載體元件。這意味著IGBT關閉的速度是由少數載體複合的速度快慢來決定。此外，IGBT的關閉時間與它的集極-射極飽和電壓 (Vce(on)) 成反比(如圖2所示)。

以圖2為例，若IGBT擁有相同的體積和技術，一個超速IGBT比一個標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on)。然而，超速IGBT的關閉速度卻比標準IGBT快得多。圖2反映的這種關係，是通過控製IGBT的少數載體複合率的使用周期以影響關閉時間來實現的。

一般說，因IGBT的電流更大（是MOSFET的兩倍多）

，所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方麵的考慮外
，器件性能可由功率損耗表度，而功率損耗可分為：導通和開關兩類。作為以少數載流子為基礎的器件，在大電流下，IGBT具有更低的導通電壓，也就意味著更低的導通損耗。但MOSFET的開關速度更快，所以開關損耗比IGBT低。因此對於要求更低開關頻率且更大電流的應用來說，選擇IGBT更為適合而且具備更低成本優勢。另一方麵，MOSFET有能力滿足高頻、小電流應用
，特別是那些開關頻率在100kHz以上的能量逆變器模塊的需要。雖然從器件成本角度看
，MOSFET比IGBT貴，但其處理更高開關頻率的能力將簡化輸出濾波器的磁設計並將顯著縮小輸出電感體積。 基於上述原因，更多的製造商因此傾向於在中高水平的能量逆變器中采用IGBT。而據Microsemi公司介紹，該公司生產的MOS8 IGBT在靜態和動態測試（最小化的總體功率損耗）方麵的優化性能可出色勝任這些應用的要求。另一方麵，即便MOSFET的成本是個主要考量，但為實行一個更優方案，也應重新審視采用MOSFET的潛力，諸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具備的領先特性就非常適合太陽能逆變器的設計。

四
、太陽能逆變器的智能控製

設計太陽能逆變器時要考慮的兩個關鍵因素是效率和諧波失真。效率可分成兩個部分：太陽能的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決於設計使用的外部元件，而不是控製器；ertaiyangnengdexiaolvyukongzhiqiruhekongzhitaiyangnengdianchibanzhenlieyouguan。meigetaiyangnengdianchibanzhenliedezuidagongzuogonglvzaihendachengdushangqujueyuzhenliedewenduheguangzhao。MCU必須控製太陽能電池板陣列的輸出負載，以使陣列的工作功率最大。由於這不是一個數學密集型算法

，因此可使用低成本MCU來完成任務。

目mu前qian
，大da多duo數shu太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi隻zhi能neng從cong太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de某mou個ge最zui佳jia位wei置zhi對dui電dian池chi板ban的de整zheng體ti效xiao率lv進jin行xing優you化hua。這zhe種zhong優you化hua方fang法fa嚴yan重zhong製zhi約yue了le太tai陽yang能neng發fa電dian係xi統tong的de效xiao率lv。如ru果guo光guang伏fu係xi統tong在zai非fei最zui佳jia電dian壓ya及ji電dian流liu水shui平ping下xia運yun行xing，係xi統tong的de效xiao率lv就jiu非fei常chang低di，白bai白bai浪lang費fei采cai集ji太tai陽yang能neng的de良liang機ji。在zai光guang伏fu係xi統tong中zhong，太tai陽yang能neng電dian池chi板ban是shi由you多duo個ge串chuan聯lian組zu並bing聯lian後hou形xing成cheng的de。就jiu像xiang節jie日ri燈deng飾shi一yi樣yang，假jia如ru串chuan聯lian中zhong的de任ren何he某mou個ge電dian池chi發fa生sheng故gu障zhang，就jiu會hui導dao致zhi整zheng個ge電dian池chi組zu失shi效xiao。此ci外wai

，當dang有you局ju部bu陰yin影ying或huo碎sui礫li等deng遮zhe蔽bi光guang伏fu係xi統tong時shi
，這zhe種zhong情qing況kuang也ye會hui發fa生sheng。

為wei了le解jie決jue上shang述shu問wen題ti
，目mu前qian太tai陽yang能neng電dian池chi板ban都dou集ji成cheng了le旁pang路lu二er極ji管guan，從cong而er使shi電dian流liu可ke以yi繞rao過guo被bei遮zhe蔽bi的de失shi效xiao電dian池chi板ban部bu份fen。啟qi動dong二er極ji管guan後hou，它ta們men可ke將jiang電dian流liu重zhong新xin路lu由you
，即ji改gai道dao繞rao過guo失shi效xiao電dian池chi串chuan上shang。這zhe樣yang一yi來lai，不bu僅jin浪lang費fei了le受shou遮zhe蔽bi電dian池chi板ban的de供gong電dian潛qian能neng，而er且qie會hui降jiang低di整zheng個ge電dian池chi組zu的de總zong電dian壓ya。基ji於yu選xuan取qu電dian池chi板ban最zui佳jia操cao作zuo點dian的de原yuan則ze

，逆ni變bian器qi必bi須xu決jue定ding是shi應ying該gai優you化hua受shou影ying響xiang電dian池chi串chuan的de電dian壓ya，還hai是shi應ying該gai優you化hua其qi他ta沒mei受shou影ying響xiang電dian池chi組zu所suo產chan生sheng的de能neng量liang。在zai大da多duo數shu的de情qing況kuang下xia

，逆ni變bian器qi都dou會hui選xuan擇ze優you化hua沒mei有you影ying響xiang的de電dian池chi組zu，並bing相xiang應ying地di降jiang低di受shou影ying響xiang電dian池chi組zu所suo產chan生sheng的de能neng量liang

，甚shen至zhi是shi完wan全quan關guan閉bi受shou影ying響xiang電dian池chi組zu。所suo導dao致zhi的de結jie果guo是shi，太tai陽yang能neng光guang伏fu係xi統tong隻zhi要yao出chu現xian10%的(de)遮(zhe)蔽(bi)，便(bian)會(hui)使(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)量(liang)下(xia)降(jiang)一(yi)半(ban)。產(chan)生(sheng)這(zhe)一(yi)現(xian)象(xiang)的(de)原(yuan)因(yin)主(zhu)要(yao)是(shi)現(xian)行(xing)的(de)光(guang)伏(fu)係(xi)統(tong)並(bing)不(bu)能(neng)與(yu)極(ji)度(du)敏(min)感(gan)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)架(jia)構(gou)相(xiang)匹(pi)配(pei)。因(yin)此(ci)
，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)更(geng)高(gao)智(zhi)能(neng)的(de)技(ji)術(shu)和(he)產(chan)品(pin)來(lai)開(kai)發(fa)太(tai)陽(yang)能(neng)。

為此，美國國家半導體新推出的Solar Magic產品，能夠智能管理太陽能光伏(PV)電池板電量
，從而使太陽能管理更智能，更高效。一個解決方案就是所謂的“微型逆變器”，即在每塊電池板上都加裝逆變器。可是，影響光伏係統的關鍵因素是可靠性
、成本和效率。先進的微型優化器技術可大幅改善太陽能發電工業的成本效益和產能。由於具備在太陽能發電的深厚知識
、經驗以及可靠的核心技術
，美國國家半導體的Solar Magic技術可監察並優化每塊電池板的發電量，並改善電池板中的電流流向。Solar Magic體現了美國國家半導體在混合信號和電源管理的先進算法領域的領先。通過采用Solar Magic技術，太陽能發電係統可挽回50%以(yi)上(shang)因(yin)輸(shu)電(dian)失(shi)配(pei)或(huo)陰(yin)影(ying)遮(zhe)蔽(bi)而(er)損(sun)失(shi)的(de)發(fa)電(dian)量(liang)。微(wei)型(xing)優(you)化(hua)器(qi)將(jiang)智(zhi)能(neng)地(di)管(guan)理(li)每(mei)塊(kuai)電(dian)池(chi)板(ban)，讓(rang)它(ta)們(men)可(ke)以(yi)最(zui)佳(jia)的(de)功(gong)率(lv)點(dian)去(qu)運(yun)行(xing)，即(ji)使(shi)串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)組(zu)內(nei)有(you)個(ge)別(bie)電(dian)池(chi)板(ban)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)也(ye)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)整(zheng)體(ti)效(xiao)率(lv)。美(mei)國(guo)國(guo)家(jia)半(ban)導(dao)體(ti)於(yu)2009年推出的全新微型優化器將推動太陽能光伏技術的發展，在再生能源方麵扮演舉足輕重的角色。