采用功率集成模块设计出高能效、高可靠性的太阳能逆变器

随着能源和环境问题日益凸显，太阳能作为一种清洁的可再生能源迅速发展，太阳能发电设施激增，其中逆变器必不可少。安森美半导体的功率集成模块(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆变器设计。

太阳能逆变器、不间断电源(UPS)和 储能系统(ESS)架构

在电池供电的工作状态下，UPS、ESS和太阳能逆变器由DC-DC转换器和DC-AC逆变器组成，解决方案享有高度的相似性和通用性。如图1所示，20至200 kVA组串型太阳能逆变器含升压电感、升压模块、直流母线电容、逆变器模块、交流滤波电感和电容，而20至50 kVA的UPS/ESS含输入滤波、功率因数校正(PFC)、整流器、直流母线电容、逆变器模块、滤波电感和电容。UPS可在断电或电源不稳定的情况下提供备用电源，广泛用于为电信和数据中心、各种工业设施等无数应用中的关键器件供电。ESS正越来越多地与可再生能源结合部署，以保障不间断的供电并促进电网的现代化。

图1：太阳能逆变器/UPS/ESS典型框图

太阳能逆变器/UPS/ESS方案及趋势

由于对更高能效的需求，逆变器模块在典型应用中普遍采用多电平结构，尤其是3电平(NPC 或 T-NPC) 逆变器很受欢迎，因为3电平比2电平逆变器能效更高，电流总谐波失真(THD)更小，输入漏电流低，输出滤波更小更接近理想的正弦波。当然由于IGBT数、驱动器数、辅助电源数增加，物料单(BOM)成本、控制方案复杂度也会增加。安森美半导体提供PIM方案，采用不带工频变压器的多串逆变器结构，同时优化芯片组及布板以降低损耗，达到高频开关，高能效及高功率密度的整体实现。

典型的3电平逆变器拓扑

TNPC、NPC、ANPC是3种典型的3电平逆变器拓扑，TNPC实现低开关损耗，NPC过去广泛采用，而ANPC则具备低寄生电感的优势。安森美半导体提供的三电平方案涵盖20 kW至220 kW输出功率，采用Q0、Q1、Q2的不同封装供不同功率段的用户选择。Q0、Q1封装分别用于达25 kW、40 kW的升压模块和达15 kW、20 kW的逆变模块。Q2封装带铜基板，因而增强散热性，用于达220 kW的1500 V逆变模块和达90 kW的1100 V逆变模块。

表1：典型的3电平逆变器拓扑

推荐的 升压及逆变器模块及PIM选型指南

表2列出了安森美半导体目前提供的升压及逆变器模块。这些模块都集成高速IGBT、Si/SiC二极管，实现高能效、紧凑的设计，内置热敏电阻，提供高可靠性，采用焊接/压合引脚，易于安装。

表2：推荐的 升压及逆变器模块

针对DC-DC升压模块，1个MPPT通道可支持最大约25A光伏(PV) 输入(2个PV板并联)，各模块都有不同的MPPT数、IGBT额定电流、SiC二极管额定值，应根据应用所需的MPPT数和每路MPPT的功率选用适当的模块和模块数。

对于1100 V最大直流母线的应用，需根据应用所需的逆变器功率等级选用相应的3电平DC-AC逆变器模块。对于较小功率的逆变器需求，如10 kVA，安森美半导体提供把a、b、c三相集中到1个Q1封装的三合一方案。

此外，针对近期迅速增长的1500 V光伏电站需求，安森美半导体还将推出1500V 三电平逆变器和升压模块，其1000 V IGBT晶圆与市场主流的1200 V晶圆相比，有较薄的衬底区，因此导通电阻更小，损耗明显降低。针对单相逆变器，安森美半导体将推出采用H6.5拓扑的模块，与广泛应用的H桥拓扑相比，大大降低共模电流以满足无隔离变压器并网的安规要求。考虑到未来家用增加电池储能的需求，在晶圆选取时考虑双向功率流动，即可向电网送电，也可从电网取电存储在电池里，功率因数为1或-1时都可高效运行。

在选择PIM时，首先应知晓应用需求，如额定功率和电压、是否需要升压模块、是采用3相还是单相、采用什么拓扑，然后和应用工程师一起计算所需的模块数量，并用仿真软件计算损耗和最高结温。

实用设计示例

图2是一台60 kW太阳能逆变器产品电路图。以1100 V三相逆变器为例，红色框图所示为1个直流升压模块，用于将较低的光伏板输入电压提升到较高的直流母线电容电压，蓝色框图所示为TNPC三电平逆变模块，实现直流到交流的能量转换。

图2：太阳能逆变器电路(1100 V三相逆变器)

此外，还用到一些无源器件如电解电容、薄膜电容、共模电感、AC 滤波电感、DC 滤波电感、AC继电器等。电解电容支持直流母线电压的稳定，薄膜电容用于吸收IGBT开关时产生的尖峰电压，共模电感在共模回路中提供高阻抗，抑制共模干扰EMI、共模损耗。

若要设计1个80 kW 系统，假设选用4个Q0升压模块NXH80B120H2Q0SG和3个Q2Pack逆变模块NXH160T120L2Q2F2S1G，则每个MPPT的功率为：80/8 =10 kW，PV电流为 : 10 kW/600 V= 16.67 A，每个逆变模块的功率为：80/3 = 26.67 kW。然后，通过仿真软件输入如下系统条件参数，计算能效并评估IGBT和二极管的结温。

图3：80 kW系统的设计示例

仿真结果显示，该设计方案的系统能效超过98%，损耗和热性能表现佳，因此是可行的。

门极驱动电路设计考量

IGBT的导通、关断需要给cge电路充电放电。在光伏应用领域，控制信号和高压回路是需要隔离的。在布板时，应尽量将门极驱动电路放置在PIM模块附近，以减小驱动回路杂散电感，因为较高的杂散电感可能会引起门极电压振荡。在选取门极电阻值Rg时，需要在开关损耗和电压、电流应力之间进行折中。此外，设计人员需关注隔离芯片的共模瞬态抑制(CMTI)参数。

总结

全球都在转向可再生能源如太阳能替代传统能源以解决日益凸显的能源和环境问题。安森美半导体提供各种3电平逆变器模块和升压模块，采用优化的功率半导体器件和封装设计，在太阳能逆变器、UPS和ESS系统中提供超过98%的能效和高可靠性，并提供各种与电源模块一起使用的门极驱动器以优化系统性能，同时辅以迅速、深入的技术支持，协助客户赢得商机和拓展业务。