中心議題：

• 太陽能逆變器設計的重要趨勢是采用更高的功率
• 太陽能逆變器設計的另一個趨勢是擴大輸入電壓範圍

解決方案：

• 升壓＋H-橋拓撲
• “最大功率點跟蹤”或MPPT的軟件技術
• 采用兩個交錯式升壓級來取代一個升壓級
• 額定開關電壓600V以上的輸入級采用1200V IGBT
• 額定電壓隻需600V/650V的輸入級選用MOSFET

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youyunengyuanchengbenriyipansheng，taiyangnengfadianzhengzhujianchengweiyixiangkexingdetidainengyuan。deguozhengfutongguolifa


，tuichugezhongjilishouduanjijigulikezaishengnengyuandeshiyong(如《再生能源法》 “Energieeinspeisungsgesetz”)
，受此驅使，至2007年，該國一直是全球最大的太陽能市場。而現在，其它國家已超過德國
，例如西班牙在2008年的新建太陽能發電廠數量居全球之冠，而意大利


、法(fa)國(guo)和(he)美(mei)國(guo)的(de)已(yi)安(an)裝(zhuang)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)容(rong)量(liang)預(yu)計(ji)將(jiang)呈(cheng)大(da)幅(fu)增(zeng)長(chang)。多(duo)種(zhong)激(ji)勵(li)措(cuo)施(shi)推(tui)動(dong)需(xu)求(qiu)走(zou)高(gao)
，繼(ji)而(er)刺(ci)激(ji)產(chan)能(neng)增(zeng)長(chang)。但(dan)由(you)於(yu)最(zui)近(jin)全(quan)球(qiu)經(jing)濟(ji)危(wei)機(ji)的(de)爆(bao)發(fa)和(he)2008年西班牙對太陽能市場的激勵措施突然撤銷，致使太陽能芯片供大於求
，導致價格下跌40%-50%。 這使得光伏技術更接近所謂的“平價電價”(grid parity)目標，亦即太陽能發電成本與目前電能市價相當。預計在2015年，德國將可實現均一電價。

太tai陽yang能neng模mo塊kuai產chan生sheng一yi個ge直zhi流liu電dian壓ya，太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi再zai把ba這zhe一yi直zhi流liu電dian能neng轉zhuan換huan為wei交jiao流liu電dian能neng，然ran後hou接jie入ru電dian網wang。本ben文wen將jiang探tan討tao太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi設she計ji的de最zui新xin趨qu勢shi。

其中一個重要趨勢是采用更高的功率。現在，峰值發電量超過100kW的太陽能發電廠越來越普遍
，而較小規模的發電係統也存在這種趨勢：平均功率從5kWp提高到10kWp。


升壓＋H-橋拓撲是太陽能逆變器極為常用的拓撲之一，是一種兩級非隔離拓撲。其第一級是升壓級，用於把模塊的可變輸出電壓(例如100V – 500V)升高到更大的中間電壓
，後者必須大於實際峰值主線電壓(如230V x sqrt(2)，或>325V)。該升壓級還有一個重要作用，就是為了實現效率最大化，太陽能模塊必須運作產生盡可能大的功率，而太陽能模塊的功率 曲線可通過輸出電流乘以輸出電壓數值獲得。功率特性中有一個最大點

，被稱為“最大功率點”或MPP
，而這精確位置會隨著模塊的類型
、溫度和日照陰影等因素而變化。


利用名為“最大功率點跟蹤”或MPPT的軟件技術
，輔以定製化算法，逆變器的輸入級便可跟蹤這個最大功率點。[page]

逆變器的第二級把恒定的中間電壓轉換為50Hz的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)
，再(zai)饋(kui)入(ru)供(gong)電(dian)主(zhu)線(xian)。這(zhe)個(ge)輸(shu)出(chu)與(yu)供(gong)電(dian)主(zhu)線(xian)的(de)相(xiang)位(wei)及(ji)頻(pin)率(lv)同(tong)步(bu)。這(zhe)一(yi)級(ji)由(you)於(yu)與(yu)供(gong)電(dian)主(zhu)線(xian)連(lian)接(jie)，故(gu)即(ji)便(bian)在(zai)故(gu)障(zhang)狀(zhuang)態(tai)下(xia)也(ye)必(bi)須(xu)達(da)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun)。除(chu)此(ci)之(zhi)外(wai)，還(hai)有(you)一(yi)個(ge)與(yu)低(di)壓(ya)指(zhi)令(ling) (Low Voltage Directive) 相關的VDE 0126-1-1新(xin)草(cao)案(an)，該(gai)提(ti)案(an)要(yao)求(qiu)太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)在(zai)電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)下(xia)降(jiang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)也(ye)應(ying)有(you)源(yuan)支(zhi)持(chi)主(zhu)供(gong)電(dian)網(wang)，以(yi)盡(jin)量(liang)降(jiang)低(di)更(geng)具(ju)普(pu)遍(bian)性(xing)的(de)停(ting)電(dian)風(feng)險(xian)。在(zai)現(xian)有(you)法(fa)規(gui)限(xian)製(zhi)之(zhi)下(xia)
，是(shi) keyishejiyigezaitingdianshinenggoushishiguanduannibianqi
，yishixianziwobaohu。buguo
，dangtaiyangnengnibianqibiandepuji
，bingzaizongfadianliangzhongzhanyoukeguandefeneshi

，ruguoyiyushangtingdianbianzhijieguanduanlian 接(jie)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)話(hua)
，是(shi)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)更(geng)大(da)規(gui)模(mo)的(de)主(zhu)電(dian)網(wang)停(ting)電(dian)的(de)，因(yin)為(wei)這(zhe)樣(yang)逆(ni)變(bian)器(qi)便(bian)會(hui)一(yi)個(ge)接(jie)一(yi)個(ge)關(guan)斷(duan)
，並(bing)迅(xun)速(su)減(jian)少(shao)電(dian)網(wang)中(zhong)的(de)電(dian)能(neng)。因(yin)此(ci)，新(xin)的(de)指(zhi)令(ling)草(cao)案(an)旨(zhi)在(zai)提(ti)高(gao)主(zhu)幹(gan) 配電網的穩定性和電能質量
，而代價僅僅是使逆變器的輸出級稍微複雜一點。

taiyangnengnibianqibixukekao
，yijinliangjianxiaoweihuhetingjijianxiudechengben。zhexienibianqihaibixujuyougaoxiao，yijinliangzengdafadianliang。taiyangnengnibianqishejirenyuanhaixufuchuxiangdangdenuli
，yijinkenengditigaoxiaolv。

有很多方法能夠提高升壓逆變器的效率。由於升壓逆變器可在連續傳導模式或邊界傳導模式(CCM 或 BCM)下工作，這就衍生出不同的優化方案。在CCM模式中，損耗的一大主因是升壓二極管的反向恢複電流；在這種情況下
，一般使用碳化矽二極管或飛兆半導體的Stealth 二極管來解決。太陽能逆變器更常采用的是BCM模式
，而盡管對這類功率級通常建議選擇CCM模式，但采用BCM模式的原因在於BCM模式中二極管的正向電 壓要低得多。而且，BCM模式也具有高得多的EMI濾波器和升壓電感紋波電流。這時，良好的高頻電感設計是一解決方案。

采(cai)用(yong)兩(liang)個(ge)交(jiao)錯(cuo)式(shi)升(sheng)壓(ya)級(ji)來(lai)取(qu)代(dai)一(yi)個(ge)升(sheng)壓(ya)級(ji)乃(nai)一(yi)種(zhong)新(xin)方(fang)法(fa)。這(zhe)樣(yang)一(yi)來(lai)，流(liu)經(jing)每(mei)個(ge)電(dian)感(gan)和(he)每(mei)個(ge)開(kai)關(guan)的(de)電(dian)流(liu)便(bian)能(neng)夠(gou)減(jian)半(ban)。另(ling)外(wai)
，采(cai)用(yong)交(jiao)錯(cuo)式(shi)技(ji)術(shu)，一(yi)級(ji)上(shang)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu) 可抵償另一級的紋波電流
，因而可在很寬工作輸入範圍上去除輸入紋波電流。如FAN9612交錯式BCM PFC一類的控製完全能夠輕鬆滿足太陽能升壓級的要求。

逆變器中的升壓開關有兩個選擇：IGBT或 MOSFET。對於需要600V以上額定開關電壓的輸入級，常常會采用1200V IGBT快速開關，如FGL40N120AND。對於額定電壓隻需600V/650V的輸入級，則選用MOSFET。

輸出H-橋級的設計人員一直以來都采用600V/650V MOSFET，但因為新的草案規範要求輸出級以四象限工作，於是在這一領域重新點燃了人們對IGBT的興趣。MOSFET雖然內置有體二極管，但相比 IGBT中采用的組合封裝二極管
，其開關性能很差。新型的場截止IGBT能夠以10V/ns的速度轉換電壓
，較之以往的舊式產品導通損耗大大改善。這種集成式二極管具有出色的軟恢複性能

，有助於降低500A/us以上的高di/dt造成的EMI。對於16kHz-25kHz開關，建議采用IGBT
，例如飛 兆半導體的 FGH60N60UFD。


太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi設she計ji的de另ling一yi個ge趨qu勢shi是shi擴kuo大da輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei
，這zhe會hui導dao致zhi相xiang同tong功gong率lv級ji下xia輸shu入ru電dian流liu的de減jian小xiao，或huo相xiang同tong輸shu入ru電dian流liu下xia功gong率lv級ji的de提ti高gao。輸shu入ru電dian壓ya比bi較jiao高gao時shi
，需xu要yao使shi用yong額e定ding電dian壓ya更geng高gao(1200V範圍內)的IGBT
，從而產生更大的損耗。解決這一問題的一個方法是采用三電平逆變器。

采用兩個串聯的電解電容可把高輸入電壓一分為二

，將中間點與零線 (neutral line)連接
，這時就可以再采用600V開關了。三電平逆變器可在三個電平間進行轉換：+Vbus
、0V 和 –Vbus。這方案除了比1200V開關構建的解決方案更有效之外，三電平逆變器還有一個優勢

，就是輸出電感大為減小。

對於整功率因數，三電平逆變器的功能可解釋如下。在正半波Q5始終導通期間，Q6 和 Q4一直關斷。Q3 和 D3構成一個降壓轉換器，產生輸出正弦波電壓。如果隻需要整功率因數
，Q5 和 Q6 可設計為 50Hz開關，采用速度極慢Vce (飽和電壓)極低的IGBT，比如FGH30N60LSD。若需要較低的功率因數，Q5 和 Q6必須工作在開關頻率下一小段時間。Q3 和 Q4的二極管應該是快速軟恢複二極管。Q3 和 Q4可安排為快速恢複MOSFET，比如FGL100N50F ，或者是快速 IGBT，如FGH60N60SFD。

基於上述分析，三電平逆變器拓撲可獲得98%以上的效率，因此可能成為5kWp以上功率級非隔離逆變器的主流結構。