一、太陽能對逆變器的要求

　　太陽是能量的天然來源。地球上每一個活著的生物之所以具有發(fā)揮作用的能力，甚至于是它的生存，都是由于直接或間接來自于太陽的能量。我們的地球處在離太陽差不多有一億英里的地方。它所截取的輻射能少到難以置信 （大約千萬分之三），這么小的一點能量， 實際上比整個世界目前現(xiàn)有的發(fā)電能力還大十萬倍。目前全世界尤其是工業(yè)發(fā)達國家開始感到能量短缺，因此，人們開始求助于太陽能，以解決能源危機。太陽能每天都能無限供應，而且數(shù)量龐大。如果在大的電廠利用，就減少了溫室效應，有些能源專家和環(huán)境保護的專家則認為，在滿足人類今后能量需要方面，太陽能的熱影響比任何其他替換品的熱影響要小得多。作為一種不污染環(huán)境，又取之不盡的新能源，它無處不在。尤其是在電力供力方面，有專家認為太陽能發(fā)電最終將在電力供應中占20%.

　　目前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負載供電，如我國西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用照明系統(tǒng)以及遠離電網的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結構簡單，成本低廉，但由于負載直流電壓的不同（如12V、24V、48V等），很難實現(xiàn)系統(tǒng)的標準化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進入市場。光伏發(fā)電最終將實現(xiàn)并網運行，這就必須采用成熟的市場模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。

　　太陽能逆變器是太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)：電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成，逆變器是一種電源轉換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。 太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變。逆變器是一種電源轉換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。因此，在太陽能應用中對逆變器必須滿足以下基本要求：

　　1.要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設法提高逆變器的效率。

　　2.要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱、過載保護等。

　　3.要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍，由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V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范圍內保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。

　　4.在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設備，這些設備對電網品質有較高的要求，當中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網運行時，為避免與公共電網的電力污染，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

　　簡單地說，逆變器就是一種將低壓（12或24伏或48伏）直流電轉變?yōu)?20伏交流電的電子設備。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。我們處在一個"移動"的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態(tài)中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護等功能。國內技術較領先的品牌有英威騰、匯川、三 晶、紫日電氣科技有限公司、雷諾爾、歐瑞（原煙臺惠豐）、藍海華騰。

　　逆變器類型有他勵逆變器、自勵逆變器、脈寬調制（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并網情況下；對于功率低于1MW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，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(xiàn)。輸出電壓被脈沖調制的自勵逆變器被稱為脈沖逆變器。這種逆變器通過增加周期內脈沖的切換次數(shù)，來降低電壓、電流的諧波含量；諧波含量與脈沖切換次數(shù)呈正比。目前，并網逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出和電網電壓同頻同相的電壓信號，整個系統(tǒng)相當于一個內阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標，系統(tǒng)輸出和電網電壓同頻同相的電流信號，整個系統(tǒng)相當于一個內阻較大的受控電流源。

　　目前，太陽能逆變器已有多種拓撲結構，最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric（Sunways專利）逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點鉗位（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。

圖1 全橋拓撲示意圖

　　在圖1中， Q1 和Q3被指定為高壓側IGBT,Q2 和Q4 則是低壓側 IGBT.該逆變器用于在其目標市場的頻率和電壓條件下，產生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計量效益電網的住宅安裝，這就是其中一個目標應用市場，此項應用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓力可注入電網中。

　　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采用脈寬調制（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調制方案，輸出電感L1和L2在實例中可以做得很小，并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面器件相比，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，對于低壓端開關電路，工作在60Hz的標準速度IGBT可以提供最低的功率損耗。

　　這個設計中的開關技術具有如下優(yōu)勢：通過允許高壓端和低壓端IGBT獨立優(yōu)化實現(xiàn)很高的效率；高壓端、同封裝的軟恢復二極管沒有續(xù)流時間，從而消除了不必要的開關損耗；低壓端IGBT的開關頻率只有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(fā)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、軟恢復二極管經過優(yōu)化可以使續(xù)流和反向恢復期間的損耗達到最小。

　　三、IGBT抑或MOSFET

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似。也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態(tài)下的IGBT ,正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用范圍。

　　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(zhàn)性，而且非常耗時。

　　金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其"通道"的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。MOSFET里的氧化層位于其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數(shù)十至數(shù)百埃（Å）不等，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide, SiO2），不過有些新的進階制程已經可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。

　　多年來的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的優(yōu)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(xiàn)柵極控制，以及在封裝內集成超快速恢復二極管實現(xiàn)更快的關斷時間。 IGBT是一種少數(shù)載流子器件，它的關斷時間取決于少數(shù)載流子重新組合的速度，因此，隨著最近工藝技術和器件結構的改進，它的開關特性已得到顯著增強。

　　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制開關。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(shù)載體元件。這意味著IGBT關閉的速度是由少數(shù)載體復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）。

圖2 關閉時間與Vce(on)成反比

　　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反映的這種關系，是通過控制IGBT的少數(shù)載體復合率的使用周期以影響關閉時間來實現(xiàn)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。除成本方面的考慮外，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(shù)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。因此對于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(yōu)勢。另一方面，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并將顯著縮小輸出電感體積。

　　基于上述原因，更多的制造商因此傾向于在中高水平的能量逆變器中采用IGBT.而據(jù)Microsemi公司介紹，該公司生產的MOS8 IGBT在靜態(tài)和動態(tài)測試（最小化的總體功率損耗）方面的優(yōu)化性能可出色勝任這些應用的要求。另一方面，即便MOSFET的成本是個主要考量，但為實行一個更優(yōu)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制

　　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于設計使用的外部元件，而不是控制器；而太陽能的效率與控制器如何控制太陽能電池板陣列有關。每個太陽能電池板陣列的最大工作功率在很大程度上取決于陣列的溫度和光照。MCU必須控制太陽能電池板陣列的輸出負載，以使陣列的工作功率最大。由于這不是一個數(shù)學密集型算法，因此可使用低成本MCU來完成任務。

　　目前，大多數(shù)太陽能逆變器只能從太陽能電池板的某個最佳位置對電池板的整體效率進行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴重制約了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率。如果光伏系統(tǒng)在非最佳電壓及電流水平下運行，系統(tǒng)的效率就非常低，白白浪費采集太陽能的良機。在光伏系統(tǒng)中，太陽能電池板是由多個串聯(lián)組并聯(lián)后形成的。就像節(jié)日燈飾一樣，假如串聯(lián)中的任何某個電池發(fā)生故障，就會導致整個電池組失效。此外，當有局部陰影或碎礫等遮蔽光伏系統(tǒng)時，這種情況也會發(fā)生。

　　為了解決上述問題，目前太陽能電池板都集成了旁路二極管，從而使電流可以繞過被遮蔽的失效電池板部份。啟動二極管后，它們可將電流重新路由，即改道繞過失效電池串上。這樣一來，不僅浪費了受遮蔽電池板的供電潛能，而且會降低整個電池組的總電壓。基于選取電池板最佳操作點的原則，逆變器必須決定是應該優(yōu)化受影響電池串的電壓，還是應該優(yōu)化其他沒受影響電池組所產生的能量。在大多數(shù)的情況下，逆變器都會選擇優(yōu)化沒有影響的電池組，并相應地降低受影響電池組所產生的能量，甚至是完全關閉受影響電池組。所導致的結果是，太陽能光伏系統(tǒng)只要出現(xiàn)10%的遮蔽，便會使太陽能發(fā)電量下降一半。產生這一現(xiàn)象的原因主要是現(xiàn)行的光伏系統(tǒng)并不能與極度敏感的太陽能電池架構相匹配。因此，我們需要采用更高智能的技術和產品來開發(fā)太陽能。

　　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，影響光伏系統(tǒng)的關鍵因素是可靠性、成本和效率。先進的微型優(yōu)化器技術可大幅改善太陽能發(fā)電工業(yè)的成本效益和產能。由于具備在太陽能發(fā)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(jiān)察并優(yōu)化每塊電池板的發(fā)電量，并改善電池板中的電流流向。Solar Magic體現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)可挽回50%以上因輸電失配或陰影遮蔽而損失的發(fā)電量。微型優(yōu)化器將智能地管理每塊電池板，讓它們可以最佳的功率點去運行，即使串聯(lián)電池組內有個別電池板發(fā)生故障也不會影響系統(tǒng)的整體效率。美國國家半導體于2009年推出的全新微型優(yōu)化器將推動太陽能光伏技術的發(fā)展，在再生能源方面扮演舉足輕重的角色。