太陽能逆變器種類豐富，可按類型(集中式、組串式、微型)或終端應(yīng)用場景(住宅、商業(yè)、公用事業(yè))進行劃分。目前，組串式逆變器因具備靈活性高、易于安裝的特點而應(yīng)用最為廣泛。隨著功率器件的不斷迭代升級，單臺逆變器的功率水平與功率密度持續(xù)提升，而單價和尺寸卻不斷下降，這使其成為太陽能逆變器市場的主流產(chǎn)品。

集中式太陽能逆變器通常應(yīng)用于公用事業(yè)電站，具有超大容量。但受安裝地點限制，近年來其新增裝機容量已被組串式太陽能逆變器超越。微型太陽能逆變器主要用于住宅發(fā)電，同時也廣泛服務(wù)于城市基礎(chǔ)設(shè)施供電，例如路燈、交通信號燈等場景。

太陽能逆變器的核心是功率轉(zhuǎn)換部分，具體包含 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器與 DC-AC 逆變器。隨著功率器件的持續(xù)發(fā)展，以及終端產(chǎn)品催生出的新需求，諸多新型拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。深入了解這些拓撲結(jié)構(gòu)及功率產(chǎn)品，有助于更透徹地理解整個系統(tǒng)并實現(xiàn)快速設(shè)計。

框圖 - 光伏逆變器

下面的框圖展示了由安森美 (onsemi)打造的光伏逆變器解決方案。 該框圖呈現(xiàn)了光伏逆變器所采用的電源管理和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)。安森美提供品類齊全的產(chǎn)品， 涵蓋分立碳化硅 (SiC) 器件、 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、 功率模塊、隔離式柵極驅(qū)動器及電源管理控制器， 助力系統(tǒng)實現(xiàn)更高的功率密度和效率。

市場信息和趨勢

碳化硅替代品

碳化硅 (SiC) 有助于提供更高的效率以推進當前技術(shù)趨勢。 與傳統(tǒng)的硅基 MOSFET/IGBT 相比，SiC 器件在高電壓場景下的優(yōu)勢尤為突出：高壓器件可簡化拓撲結(jié)構(gòu)， 無需使用多電平轉(zhuǎn)換器; SiC 逆變器解決方案的損耗低于 IGBT 解決方案;同時， SiC MOSFET 的開關(guān)速度更快， 能夠縮小無源器件(尤其是電感) 的尺寸。 這兩方面因素共同提升了功率密度， 使相同尺寸和重量的器件可實現(xiàn)更高功率輸出。

不過， 實際應(yīng)用中必須在成本與性能之間進行權(quán)衡， 并結(jié)合具體需求來選擇最合適的解決方案。

IGBT 和 SiC 二極管

SiC 二極管替代方案的應(yīng)用正愈發(fā)普遍， 尤其在 DC-DC 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)， 原因有三：其一， 成本已降至合理水平;其二，無需對電路設(shè)計進行大幅改動;其三， 也是最重要的一點， 能顯著提升系統(tǒng)性能。 此外， 工作頻率的提高還可縮小無源器件的尺寸。

在大功率產(chǎn)品(約 200kW 以上) 中， IGBT 仍是首選。 一方面， IGBT 在大電流場景下表現(xiàn)優(yōu)異， 且這類系統(tǒng)對工作開關(guān)頻率的要求不高， 因此 IGBT 關(guān)斷速度慢的問題不會造成太大影響。 另一方面， 全 SiC 系統(tǒng)需要全新設(shè)計， 且成本高昂。 例如， 基于 IGBT 的轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電路與 SiC 系統(tǒng)不兼容;由于 SiC 元件的短路耐受時間 (SCWT) 短于 IGBT，還需重新設(shè)計保護方案。

更高的母線電壓

對大功率的需求持續(xù)增長， 在同等功率條件下， 采用 1500V 組串替代 1100V 組串時， 因電流更低而能夠降低互聯(lián)成本。 為順應(yīng)此類趨勢， 更高電壓等級的開關(guān)器件應(yīng)運而生。 無論是選用高壓開關(guān)器件， 還是采用多電平拓撲結(jié)構(gòu)， 都能顯著提升光伏逆變器的工作功率。 關(guān)于 1500V 逆變器與 1100V 逆變器的對比， 詳見后文。

表 1： 1500V(型號-2)與 1100V 光伏逆變器的對比

公用事業(yè)級解決方案

300 kW+ 光伏組串式逆變器 - 公用事業(yè)級解決方案

安森美發(fā)布了采用 F5BP 封裝的新型 Si/SiC 混合功率集成模塊 (PIM)， 可為公用事業(yè)級光伏組串式逆變器及儲能系統(tǒng)提升 15% 的功率輸出。這些模塊能夠提高功率密度與效率， 使光伏逆變器的功率從 300kW 提升至 350kW。 這意味著， 對于一座 1 吉瓦的光伏電站而言， 每小時可額外節(jié)省近 2 兆瓦的電力。 此外， 新型模塊憑借更高的功率密度與效率， 減少了所需模塊的數(shù)量， 將元件成本降低 25% 以上。

該系列模塊集成了先進元件， 包括 1050V FS7 型 IGBT 與 1200V D3 EliteSiC 二極管， 與前代產(chǎn)品相比， 功率損耗降低高達 8%， 開關(guān)損耗減少 15%。 這些 PIM 模塊在逆變器部分采用創(chuàng)新的 I-NPC 拓撲結(jié)構(gòu)， 在升壓部分則采用飛跨電容拓撲。 此外， 它們采用先進的直接鍵合銅 (DBC) 基板， 可大幅減少雜散電感和熱阻。 這種設(shè)計將散熱器的熱阻降低了 9.3%， 有助于在高負載下維持較低的工作溫度， 進而提升整體可靠性。

圖 1： 300 kW+ 光伏組串式逆變器原理圖

圖 2： F5BP 與 F5 的熱性能

Si/SiC 混合模塊， F5BP NXH600N105H7F5P2HG

特性

? I 型中性點鉗位三電平逆變器模塊

? 1050V 場截止 7 型 IGBT 和 1200V SiC 二極管

? 高效率、高功率密度及出色可靠性

? 低熱阻底板

? 低電感布局， 內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

優(yōu)勢

? 系統(tǒng)效率高達 99%

? 減少模塊數(shù)量，簡化 PCB 設(shè)計并降低系統(tǒng)成本

應(yīng)用

? 1500 V 組串式工商業(yè)用光伏逆變器

圖 3： F5BP 封裝PIM60 112x62(壓接式)