【工业开发者论坛精彩笔录】太阳能逆变器解决方案

中心议题：
    * 2011西部工业开发者论坛精彩笔录

本文整理自品佳电子公司FAE职位彭翼天在2011西部工业开发者论坛上的演讲。

各位好！接下来由我给大家介绍目前国内太阳能逆变器的一些解决方案，以及所用到的元器件。我先自我介绍一下，我是大联大集团品佳电子的，我叫彭翼天。我们大联大集团是目前亚洲第一的代理商，品佳主要代理英飞凌的一些全线的半导体体检。今天的演讲内容主要分这么四个部分，首先介绍太阳能逆变器的一些分类，再进行逆变器脱铺结构的介绍，接下来再讲逆变器里面功率器件的驱动和保护，最后简单的介绍一下英飞凌实时信号控制器，也就是16位的MCU的简单介绍。

目前逆变器按照分类大概就分这么三种。微型的这种叫Micro-Inverter和微型变换器，这属于功率比较小的，在200W-600W之间，电信的太阳能电池板就是240W的功率范围。第二种，组串型的逆变器，这种逆变器主要是在1KW-20KW之间。组串型太阳能电池板输出电压的形式分成很多的串联和并列的方式。第三种中央型大型逆变器，主要是应用在太阳能电站这些方面，主要是30KW-500KW这样的范围。

接下来我根据不同功率大小的拓扑结构，为大家介绍一下里面一些器件。首先介绍微型逆变器，微型逆变器主要是200多W的功率大小，输出功率很低，但是对效率要求很高。因为要从20多V的电压升到110-220V的水平，所以，这之间需要才能隔离的方式来实现。像上面的比较常见的一种太阳能逆变器，微逆变器的一种拓扑结构——单端反激结构，下面这种是属于移相电源形式做成的结构，下面的形式比较复杂，但是它可以把效率做的更高一点。这种结构基本上分三部分，前面的实现最大功率跟踪，把直流电压稳定在一定的水平，再经过隔离环节，移相全桥的低压到高压的逆变环节和整流环节。最后到末端并网这边就比较简单，50HZ的单端调式实现并网的功能。这里面像低压器件主要有一些导通电阻非常低的MOS管来提供前级这部分。输出高压这边有一些比较小功率的MOS管来提供，整流的地方根据不同的拓扑结构，电流原形有碳化硅极管提供。

 

这是非隔离型的一种拓扑结构，即目前出口欧洲的一些产品，大多数采用这种结构。它的电路就比较简单，然后非隔离型可以把效率做的很高。但是它就是一种不隔离的结构，基本上前面部分主要是做最大功率跟踪，实现电池板最大功率的获取，这边是一个逆变环节。逆变环节比较简单，就是H桥的逆变。因为电网那边会比较复杂，可能会要做一些简单的无功处理。比如说电网那边浪涌电压、电流过来，这边需要保护逆变器内部的结构。在这种电路里面，我们有30A、50A、75A的IGBT提供，效率高点的还有导通电阻非常低的高压MOS管。在逆变全桥部分还有模块化的产品，比方说30A、50A、75A现成的一种H桥的模块就方便大家使用。保护电路基本上不管功率多大，基本上就是70A、50A这种IGT实现这种管子。

 

 

接下来介绍比较特殊一点的结构。针对薄膜太阳电池，因为薄膜太阳电池有个要求，必须要接地，如果不隔离的话会对薄膜太阳电池造成一定的腐蚀，所以，使用薄膜太阳能电池的一些场合要求逆变器有隔离的形式。隔离有两种，一种是公平变压器的隔离，但是这样的体积笨重，效率不高。新型的隔离是高频隔离方式，跟前面的微逆变器的结构差不多，只不过这种高频隔离的方式功率会做的比较大。目前基本上功率都是在2.2KW-4KW这个范围，针对这种功率比较大，用三级的结构，前面是最大功率的跟踪电路和获取太阳能电池板最大功率的电路。接下来进行移相全桥或者H桥硬开关的高频隔离的方式，然后进行整流。后级比较简单，一般预备了高效率采用这种单段调制来减少并网环节效率的损失。这种结构器件比较多，损耗比较大，所以推荐客户使用这种低导通电阻的MOS管进行设计。一般2.2KW可以用到5颗开关管和4颗整流管。针对4KW的，可能4颗整流管不够用，必须得并上，可能会用到8颗，加上这2颗一共10颗，再加这里面的整流管，起码得用到14个开关器件，所以说它的损耗是非常大的。效率想要做高很难，所以基本上都推荐大家用低导通电阻的MOS管。比如说我们有650伏70毫欧的，还有41毫欧的MOS管来提供给大家。移相全桥部分或者是H全桥逆变的部分，我们有体内并联的一个快恢复二极管代号CFD的MOS管提供给大家来实现这个拓扑。整流部分有碳化硅二极管提供给大家。逆变部分比较简单，这边的效率比较容易做得很高，就是说单端调试性是两个52Hz的开关管，然后两个高频的调制管。高频调制管还是用低导通电阻的MOS管。50Hz的开关管就是用IGBT的开关管来实现这样一个功能。

 

接下来是针对5-30KW范围三相逆变器拓扑结构的介绍。目前在三相逆变器里面，这种5-30KW范围内，现在追求高效率都是采用三电平的结构。目前来说，国内厂家在20KW以下都是需要带前提的NPPT电路，基本上20KW以下前面会有两路输入的电路，后面就是三个桥臂来实现这个三相输出的逆变环节。英飞凌这边二极管终点前面NP型的三电平模块的封装就是这样两种情况。一种30A、50A，另外一种是75、100、150A，针对不同功率等级提供给大家。

 

再接下来就是针对30KW-100KW范围的三相的逆变器。一般大于20KW，就不需要再做NPPT的跟踪电路，所以基本上只需要逆变回路就实现了逆变器的架构。针对这种功率比较大的，30-100KW，我们有两种形式的模块。在三电平的拓扑里面，还有一种比较特殊的，叫T字形结构的三电平结构。目前英飞凌正式向广大客户提供这种模块的结构。之前是跟MSA定制的，所以很多客户想采用这种结构的模块，但还有些专利的限制。现在英飞凌的合作期到，就开放出来给广大客户使用。这种模块叫头对头的开关管结构，实现了终点定位的控制。这边是传统半桥模块的结构，像这种在小功率段，有80A的封装。在功率更大一点的有300A到450A的结构。可以看出，针对不同功率，结构比较灵活，像这样一个实现了桥壁的功能。这种大的就需要用到两个模块来组合成电路结构的功能。

 

 

接下来是针对250KW到500KW的高效率太阳能逆变器的结构。更大功率像250、500这种大功率的结构，基本上还是传统的两电平结构，因为电流比较大，用三电平结构的话，功率器件多，会引入更多的损耗，所以在大功率的场合两电平的结构反而更有优势。你们看到的这个模块，我今天带了一个样品来给大家看一下。像这样一个黑黑的模块最大是1400A 1200V，这是一个半桥结构，用3个这种模块就可以实现250KW逆变器的设计。针对500KW的，基本上用两个半桥结构并列，6个模块来实现500KW逆变器的结构。这样功率器件比较少，整个安装和设计很方便。但它的材料比较贵，我们有成本更低一点的方案，比如说用这种模块，针对300A的模块来设计50KW的，然后450A设计100KW的，或者用4片模块做一个桥臂来实现250KW，或者用2片600A的模块并列一个桥臂带实现500KW的结构。采用并列方式模块数量比较多，这种结构设计会比较复杂。即针对一些比较有设计能力的厂家提供的建议。这种模块体积比较小，可能成本会相对低一点。这是一种推荐。

 

接下来给大家介绍功率器件的一些驱动和保护方面的内容。英飞凌针对IGBT的模块的驱动有两种形式，一种就是一些大功率的驱动模块，就是直接驱动 1000多安培的模块的驱动板，驱动600A的这种结构。还有一种是驱动芯片的结构，驱动芯片是针对600A、450A模块的驱动板的一种形式。这里还有专门针对三电平模块推出的评估板。相关的这些资料可以在英飞凌的网站上下载。

 

 

这里我们讲一下门级驱动方面的知识。通常功率器件都需要一个驱动芯片或者驱动模块来驱动，针对不同的应用，驱动由负电压或者零电压来关断，就是单电压的驱动或者说正负电压的驱动。根据不同的应用要求，比如说这个开关速度要求比较高，可能必须得用正负电源的驱动，像一些比较简单通用的，比如说通用的小功率变频器，从成本上考虑，基本上就是用单电压的驱动方式。如果是针对太阳能逆变器或者一些特殊场合的运用，需要可靠的关断IGBT的话，就需要采用负电压的驱动形式。这是介绍驱动的过程，相应驱动的一些影响。

 

在驱动这边还有一个关键的问题，就是驱动电阻，IGBT或者相应的MOS管，他们在跟驱动芯片驱动器连接的时候都必须用到门级电阻。门极电阻的大小会对开关器件、速度、开关损耗、关断损耗，还有开关延时都会有相应的影响。基本上每个器件规格书里面都会给出一个范围给客户选择，并不是随便用多少都可以的，而是通过计算来算出比较合适的门级电阻的功率和驱动电源的功率。可能有些场合IGBT需要并联使用，在并列的时候就推荐每一个器件用门级电阻，然后再统一的并列连接到驱动器上，这样来减少开关器件相互间的影响，或者说减少开关器件的开关延时不一样造成的电流不均匀的状况。

 

 

接下来讲一下驱动的保护，因为IGBT门级的地方的标准是一个正负20负的耐压，即不允许门级电压很高。基本上所有IGPT一般推荐就是正负20V以内，所以在驱动输出的部分基本上有两种形式，一种是并列的TVS管，把门级的电压限制在20V以内。一种方式是把门级通过二极管引到正10V的电源上，这边电压高以后他会往电源这边走，就不会造成门级的电压过高而损坏门级。还有一种驱动保护是针对以前比较老的那种变压器驱动结构的一种保护。另外一种是动态电压上升控制DVRC的一种保护，这种保护主要是针对电压比较高，3300V以上这种IGBT的一种保护。

 

接下来讲一下功率器件短路保护的方面，一般IGBT的驱动保护主要是VC检测，就是检测器件开通时候的饱和压价来判断是短路还是电流异常。机理是短路的时候瞬间电流会很大，会引起VC电压的上冲，检测电路可以检测出VC的异常，判断这时候是短路情况发生，然后关断管子，管子不会因为电流过大而烧毁。还有一种软关断，检测到短路以后，功率器件不能立马关断，要以一种比较软的关断来限制过大的DI、DT来引起器件的损坏。还有两电平关断，检测到短路以后，让驱动器输出一个比较中间的电平，来限制短路电流的增大，然后再延长短路时间来关断电路器件。

 

最后介绍一下英飞凌单片机，英飞凌16位单片机XE166是在XC166的基础上改进的，所以叫增强型XE的系列。有一些英飞凌的单片机都带通信的接口结点，有灵活的电压。基本上英飞凌是单电压，有3.3V和5V两种，就是电压范围比较宽。封装有64、100，140、176满足不同的需要，这边就是一个列表。不同型号的资源的一些介绍。这是一个优势，这边是在太阳能系统里面的应用。比如说最多30路ADC针对太阳能电池的检测，电网检测、电流检测需要非常多的ADC，所以专门多搭30路就可以保证ADC足够利用。还有做逆变这些环节，专门的通信接口还有安全的校验功能。这边是一种简单的逆变器结构。谢谢大家！

 

 

 

本文整理自2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问www.52solution.com/data/datainfo/id/5167