光伏逆变器组件与功率器件前途-KIA MOS管

信息来源：本站　日期：2018-01-12　

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光伏逆变器拓扑结构与功率器件的展开

光伏逆变器作为电力电子技术行业的一个重要分支，其技术进步高度依赖于电子元器件和控制技术的展开。而随着光伏发电微风力发电等新能源大范围应用和降本钱的需求，反过来又推进了电力电子技术的展开，近年来逆变器厂家竞争猛烈，其总体趋向是体积越来越小，重量是越来越轻，销售价钱越来越低，那么，逆变器厂家是采取哪些方法怎样完成的？

1、尽量减少功率器件的数量，进步功率器件的开关频率。

2、尽量增加功率器件的数量，降低功率器件的开关频率。

你没有看错，这两个貌似相互矛盾的方案，确是逆变器行业技术道路的真实写照。为什么是这种情况，逆变器的中心技术是热设计技术和输出电流谐波控制技术，功率器件的开关频率越高，输出波形就越好，但器件的损耗也越高，逆变器体积最大，最贵的两种器件是散热器和电感，它们的体积、本钱，重量约占逆变器的30%左右，逆变器怎样降本钱，怎样减少体积，都要在它们俩身上打主意。

要想减少散热器的体积，就必需求减少功率器件的热损耗，目前有两种技术道路：

一是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的内阻

二是采用三电平，五电对等多电平电气拓扑以及软开关技术，降低功率器件两端的电压，降低功率器件的开关频率。电感是控制逆变器输出波形最关键的硬件，要想减少电感的体积，就必需增加功率器件的开关频率。

1、功率开关管的历史：

第一代是可控硅，也称晶闸管(SCR)，它只能控制器件导通，器件关通要靠主电路电压反向来中止，因此说它是一种半控型器件，它的开关容量大，能抵达几万安培，耐压高，但驱动电路结构很复杂，器件的开关频率低，损耗也较大。

第二代是GTR，是电流控制型双极双结电力电子器件，它具有开关损耗小和阻断电压高的优点，但开关频率不高，驱动电流较大。

第三代是MOSFET，它是一种电压控制型器件，控制功率极低，开关频率高，但输出特性不好。

第四代是绝缘栅晶体管(IGBT)，它是一种用MOS栅控制的晶体管，它集中了GTR和MOSFET的优点，驱动电路简单和开关频率高，和MOSFET相似，输出电流大和GTR相似，第五代是参与SIC碳化硅材料的MOSFET和IGBT以及碳化硅肖特基二极管。

碳化硅(SiC)器件属于宽禁带半导体组别，与常用硅(Si)器件相比，有许多优势：一、是耐高压，碳化硅器件具备更高的击穿电场强度，最高耐压可达10kV，比硅(Si)器件耐压进步了几倍；二、是耐高温，其最高结温可达600度，而最新英飞凌的PrimePACK第四代IGBT，其最高结温是175度；三、是碳化硅器件开关损耗非常低，非常适宜用于高开关频率系统，当开关频率大于20Khz时，碳化硅器件损耗是硅IGBT的50%。IGBT+Si二极管的损耗，随着频率的改动损耗变化幅度非常大，而IGBT+SiC二极管的损耗，随着频率的变化改动不是很大。特别是在16K到48K，其总损耗几乎是线性的，增加幅度较小。

但是碳化硅也有缺点，限制了它的应用范围：

一、是电流较小，迄今为止SiCMOSFET和肖特基二极管的最大额定电流小于100A，大功率逆变器用不上；

二、是产能缺乏，价钱还比较贵；

三、是稳定性和硅基IGBT相比还差一点；

2、软开关与多电平技术

软开关技术应用谐振原理，使开关器件中的电流或者电压按正弦或者准正弦规律变化，当电流自然过零时，关断器件；当电压自然过零时，开通器件。从而减少了开关损耗，同时极大地处置了理性关断，容性开通等问题。当开关管两端的电压或流过开关管的电流为零时才导通或者关断，这样开关管不会存在开关损耗。

软开关谐振变换器是由电感、电容组成谐振电路，增加了很多器件，系统变得复杂，可靠性降低；由于光伏逆变器要保证功率要素为1，因此软开关技术只适宜在前级DC-DC变换中用到，后级的DC-AC变换还需求多电平技术。

按照输出电压的电平数，逆变器可以分为两电平和多电平。

两电平换流器的主要优点有：电路结构简单，电容器数量少，占空中积小。但由于两电平逆变器器件需求承受的电压高，因此开关损耗较大，为了避免呈现上述技术难题，多电平开端呈现，并遭到了越来越多的关注。

所谓多电平是指输出电压波形中的电平数等于或者大于3的换流器，如三电平、五电平、七电对等。多电平换流器降低了两电平对开关器件两端的电压，可经过适合的调制方式减少开关器件的开关损耗，同时坚持交流侧较低的谐波。

两电平与多电平优点：

1）损耗对比，两电平中主开关承受电压为为全部母线电压，三电平为直流侧电压一半，五电平为直流侧电压四分之一，电压的降低，带来损耗的降低和可靠性增加。

2）输出谐波：输出电平台阶越多，波形越趋近与正弦波，三电平系统相关于两电平系统，相当于把开关频率进步一倍，五电平系统对两电平系统，相当于把开关频率进步两倍，后面的滤波电感容量就可以减少一到两倍。两电平与多电平缺陷：三电平、五电平和两电平器件数量相比，要多3倍到5倍，随着器件的增加，主电道路路长，系统杂散电感增加，系统的可靠性降低，控制算法也变得很复杂。

综合起来，要想把逆变器体积降低，一个途径是运用碳化硅材料的功率开关器件，进步开关频率，降低电感的体积，但碳化硅目前技术还不是非常成熟，价钱较贵，容量也比较小，应用遭到限制；另一个途径是采用软开关和多电平技术，可以降低器件的电压，减少损耗，从而减少散热器的体积，还可以间接进步开关频率，降低电感的体积，但是这个方案元器件增加几倍，增加了系统的风险。

有没有一种器件，既有碳化硅材料的低内阻，还有三电平结构的低电压，整个系统的元器件还不能多，还要好安装，好控制，可靠性也要好，而且价钱也不能太贵。集成这么多优势的元器件到底有没有？

这种功率器件还真有，它就是集成多个元器件的功率模块。下图是用于光伏逆变器的功率模块，它结构紧凑，将多个分立器件集成到一个模块中，减少了器件之间连线的寄生阻抗。功率模块驱动回路与主功率回路从不同的管脚分别引出，减少了IGBT主功率回路对驱动回路的电磁干扰。模块配置了NTC电阻，可以精准地检测模块内部温度。2802.png前级DC-DC电路由2个高速IGBT、4个碳化硅二极管和一个温度传感器等7个元器件组成，包含双路boost模块，额定电流为50A，可以支持25kW的MPPT回路。