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

tongguotaiyangnengguangfujishujiangtaiyangfushezhuanhuanchengdiannengshixianzaishimianshangzuiyouxiaoyeshizuijufazhanqianlidekezaishengnengyuanjishu。xianzai，putongtaiyangnengguangfuxitongdoushiyouxuduojinmixiangliandetaiyangnengdianchibanzucheng。zhexiedianchibanxianfenzuchuanlian
，zaijiangbutongdechuanliandianchizubinglianqilaixingchengdianchizhenlie。

目(mu)前(qian)我(wo)國(guo)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)主(zhu)要(yao)是(shi)直(zhi)流(liu)係(xi)統(tong)，即(ji)將(jiang)太(tai)陽(yang)電(dian)池(chi)發(fa)出(chu)的(de)電(dian)能(neng)給(gei)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)
，而(er)蓄(xu)電(dian)池(chi)直(zhi)接(jie)給(gei)負(fu)載(zai)供(gong)電(dian)，如(ru)我(wo)國(guo)西(xi)北(bei)地(di)區(qu)使(shi)用(yong)較(jiao)多(duo)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)戶(hu)用(yong)照(zhao)明(ming)係(xi)統(tong)以(yi)及(ji)遠(yuan)離(li)電(dian)網(wang)的(de)微(wei)波(bo)站(zhan)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)均(jun)為(wei)直(zhi)流(liu)係(xi)統(tong)。此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)
，成(cheng)本(ben)低(di)廉(lian)


，但(dan)由(you)於(yu)負(fu)載(zai)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)的(de)不(bu)同(tong)（如12Ｖ
、24Ｖ
、48Ｖ等），很(hen)難(nan)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)的(de)標(biao)準(zhun)化(hua)和(he)兼(jian)容(rong)性(xing)，特(te)別(bie)是(shi)民(min)用(yong)電(dian)力(li)
，由(you)於(yu)大(da)多(duo)為(wei)交(jiao)流(liu)負(fu)載(zai)
，以(yi)直(zhi)流(liu)電(dian)力(li)供(gong)電(dian)的(de)光(guang)伏(fu)電(dian)源(yuan)很(hen)難(nan)作(zuo)為(wei)商(shang)品(pin)進(jin)入(ru)市(shi)場(chang)。光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)最(zui)終(zhong)將(jiang)實(shi)現(xian)並(bing)網(wang)運(yun)行(xing)，這(zhe)就(jiu)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)成(cheng)熟(shu)的(de)市(shi)場(chang)模(mo)式(shi)，今(jin)後(hou)交(jiao)流(liu)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)必(bi)將(jiang)成(cheng)為(wei)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)的(de)主(zhu)流(liu)。

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.yaoqiujuyoujiaogaodekekaoxing。muqianguangfufadianxitongzhuyaoyongyubianyuandiqu
，xuduodianzhanwurenzhishouheweihu，zhejiuyaoqiunibianqijuyouhelidedianlujiegou

，yangedeyuanqijianshaixuan，bingyaoqiunibianqijubeigezhongbaohugongneng，rushuruzhiliujixingjiefanbaohu，jiaoliushuchuduanlubaohu，guore、過載保護等。

3.yaoqiuzhiliushurudianyayoujiaokuandeshiyingfanwei，youyutaiyangdianchideduandianyasuifuzaiherizhaoqiangduerbianhua，xudianchisuiranduitaiyangdianchidedianyajuyouzhongyaozuoyong，danyouyuxudianchidedianyasuixudianchishengyurongliangheneizudebianhuaerbodong，tebieshidangxudianchilaohuashiqiduandianyadebianhuafanweihenda
，ru１２Ｖ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°dexiangkongzhengliuqiweichangjiandeyouyuannibianqi。erbazhiliudiannengbianhuanweijiaoliudianneng，zhijiexiangfeidianyuanfuzaigongdiandedianlu，chengzhiweiwuyuannibiandianlu，youchengweibianpinqi。

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。gainibianqiyongyuzaiqimubiaoshichangdepinlvhedianyatiaojianxia
，chanshengdanxiangweizhengxiandianyaboxing。youxienibianqiyongyulianjiejingjiliangxiaoyidianwangdezhuzhaianzhuang，zhejiushiqizhongyigemubiaoyingyongshichang，cixiangyingyongyaoqiunibianqitigongdixiebojiaoliuzhengxiandianya
，ranglikezhurudianwangzhong。 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。
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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；而(er)太(tai)陽(yang)能(neng)的(de)效(xiao)率(lv)與(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)如(ru)何(he)控(kong)製(zhi)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)陣(zhen)列(lie)有(you)關(guan)。每(mei)個(ge)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)陣(zhen)列(lie)的(de)最(zui)大(da)工(gong)作(zuo)功(gong)率(lv)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)陣(zhen)列(lie)的(de)溫(wen)度(du)和(he)光(guang)照(zhao)。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)。

weilejiejueshangshuwenti，muqiantaiyangnengdianchibandoujichenglepangluerjiguan，congershidianliukeyiraoguobeizhebideshixiaodianchibanbufen。qidongerjiguanhou
，tamenkejiangdianliuzhongxinluyou，jigaidaoraoguoshixiaodianchichuanshang。zheyangyilai，bujinlangfeileshouzhebidianchibandegongdianqianneng，erqiehuijiangdizhenggedianchizudezongdianya。jiyuxuanqudianchibanzuijiacaozuodiandeyuanze，nibianqibixujuedingshiyinggaiyouhuashouyingxiangdianchichuandedianya，haishiyinggaiyouhuaqitameishouyingxiangdianchizusuochanshengdenengliang。zaidaduoshudeqingkuangxia，nibianqidouhuixuanzeyouhuameiyouyingxiangdedianchizu，bingxiangyingdijiangdishouyingxiangdianchizusuochanshengdenengliang，shenzhishiwanquanguanbishouyingxiangdianchizu。suodaozhidejieguoshi，taiyangnengguangfuxitongzhiyaochuxian10%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%yishangyinshudianshipeihuoyinyingzhebiersunshidefadianliang。weixingyouhuaqijiangzhinengdiguanlimeikuaidianchiban，rangtamenkeyizuijiadegonglvdianquyunxing，jishichuanliandianchizuneiyougebiedianchibanfashengguzhangyebuhuiyingxiangxitongdezhengtixiaolv。meiguoguojiabandaotiyu2009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。