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光伏逆變器拓撲結構與功率器件的發(fā)展
日期:2017-08-31   [復制鏈接]
責任編輯:xiaoguang 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
 編者按:光伏逆變器作為電力電子技術行業(yè)的一個重要分支,其技術進步高度依賴于電子元器件和控制技術的發(fā)展。而隨著光伏發(fā)電和風力發(fā)電等新能源大規(guī)模應用和降成本的需要,反過來又推進了電力電子技術的發(fā)展,近年來,逆變器廠家競爭激烈,其總體趨勢是體積越來越小,重量是越來越輕,銷售價格越來越低,那么,逆變器廠家是采取哪些方法怎么實現(xiàn)的?

1、盡量減少功率器件的數(shù)量,提高功率器件的開關頻率,

2、盡量增加功率器件的數(shù)量,降低功率器件的開關頻率。

你沒有看錯,這兩個貌似相互矛盾的方案,確是逆變器行業(yè)技術路線的真實寫照。為什么是這種情況,逆變器的核心技術是熱設計技術和輸出電流諧波控制技術,功率器件的開關頻率越高,輸出波形就越好,但器件的損耗也越高,逆變器體積最大,最貴的兩種器件是散熱器和電感,它們的體積、成本,重量約占逆變器的30%左右,逆變器怎么降成本,怎么減少體積,都要在它們倆身上打主意。

要想減少散熱器的體積,就必須要減少功率器件的熱損耗,目前有兩種技術路線:一是采用碳化硅材料的元器件,降低功率器件的內(nèi)阻,二是采用三電平,五電平等多電平電氣拓撲以及軟開關技術,降低功率器件兩端的電壓,降低功率器件的開關頻率。電感是控制逆變器輸出波形最關鍵的硬件,要想減少電感的體積,就必須增加功率器件的開關頻率。
功率開關管的歷史:

第一代是可控硅,也稱晶閘管(SCR),它只能控制器件導通,器件關通要靠主電路電壓反向來進行,因此說它是一種半控型器件,它的開關容量大,能達到幾萬安培,耐壓高,但驅動電路結構很復雜,器件的開關頻率低,損耗也較大。第二代是GTR,是電流控制型雙極雙結電力電子器件,它具有開關損耗小和阻斷電壓高的優(yōu)點,但開關頻率不高,驅動電流較大。第三代是MOSFET,它是一種電壓控制型器件,控制功率極低,開關頻率高,但輸出特性不好。第四代是絕緣柵晶體管(IGBT),它是一種用MOS柵控制的晶體管,它集中了GTR和MOSFET的優(yōu)點,驅動電路簡單和開關頻率高,和MOSFET相似,輸出電流大和GTR相似,第五代是加入SIC碳化硅材料的MOSFET和IGBT以及碳化硅肖特基二極管。

碳化硅(SiC)器件屬于寬禁帶半導體組別,與常用硅(Si)器件相比,有許多優(yōu)勢:一是耐高壓,碳化硅器件具備更高的擊穿電場強度,最高耐壓可達10kV,比硅(Si)器件耐壓提高了幾倍;二是耐高溫,其最高結溫可達600度,而最新英飛凌的PrimePACK第四代IGBT,其最高結溫是175度;三是碳化硅器件開關損耗非常低,非常適合用于高開關頻率系統(tǒng),當開關頻率大于20Khz時,碳化硅器件損耗是硅IGBT的50%。IGBT+Si二極管的損耗,隨著頻率的改變損耗變化幅度非常大,而IGBT+SiC二極管的損耗,隨著頻率的變化改變不是很大。尤其是在16K到48K,其總損耗幾乎是線性的,增加幅度較小。

但是碳化硅也有缺點,限制了它的應用范圍,一是電流較小,迄今為止SiC MOSFET和肖特基二極管的最大額定電流小于100A,大功率逆變器用不上;二是產(chǎn)能不足,價格還比較貴;三是穩(wěn)定性和硅基IGBT相比還差一點。

軟開關與多電平技術

軟開關技術利用諧振原理,使開關器件中的電流或者電壓按正弦或者準正弦規(guī)律變化,當電流自然過零時,關斷器件;當電壓自然過零時,開通器件。從而減少了開關損耗,同時極大地解決了感性關斷,容性開通等問題。當開關管兩端的電壓或流過開關管的電流為零時才導通或者關斷,這樣開關管不會存在開關損耗。

軟開關諧振變換器是由電感、電容組成諧振電路,增加了很多器件,系統(tǒng)變得復雜,可靠性降低;由于光伏逆變器要保證功率因素為1,因此軟開關技術只適合在前級DC-DC變換中用到,后級的DC-AC變換還需要多電平技術。

按照輸出電壓的電平數(shù),逆變器可以分為兩電平和多電平。兩電平換流器的主要優(yōu)點有:電路結構簡單,電容器數(shù)量少,占地面積小。但由于兩電平逆變器器件需要承受的電壓高,因此開關損耗較大,為了避免出現(xiàn)上述技術難題,多電平開始出現(xiàn),并受到了越來越多的關注。所謂多電平是指輸出電壓波形中的電平數(shù)等于或者大于3的換流器,如三電平、五電平、七電平等。多電平換流器降低了兩電平對開關器件兩端的電壓,可通過合適的調(diào)制方式減少開關器件的開關損耗,同時保持交流側較低的諧波。

兩電平與多電平優(yōu)點:1)損耗對比,兩電平中主開關承受電壓為為全部母線電壓,三電平為直流側電壓一半,五電平為直流側電壓四分之一,電壓的降低,帶來損耗的降低和可靠性增加。2)輸出諧波:輸出電平臺階越多,波形越趨近與正弦波,三電平系統(tǒng)相對于兩電平系統(tǒng),相當于把開關頻率提高一倍,五電平系統(tǒng)對兩電平系統(tǒng),相當于把開關頻率提高兩倍,后面的濾波電感容量就可以減少一到兩倍。

兩電平與多電平缺點:三電平、五電平和兩電平器件數(shù)量相比,要多3倍到5倍,隨著器件的增加,主電路線路長,系統(tǒng)雜散電感增加,系統(tǒng)的可靠性降低,控制算法也變得很復雜。

綜合起來,要想把逆變器體積降低,一個途徑是使用碳化硅材料的功率開關器件,提高開關頻率,降低電感的體積,但碳化硅目前技術還不是非常成熟,價格較貴,容量也比較小,應用受到限制;另一個途徑是采用軟開關和多電平技術,可以降低器件的電壓,減少損耗,從而減少散熱器的體積,還可以間接提高開關頻率,降低電感的體積,但是這個方案元器件增加幾倍,增加了系統(tǒng)的風險。

有沒有一種器件,既有碳化硅材料的低內(nèi)阻,還有三電平結構的低電壓,整個系統(tǒng)的元器件還不能多,還要好安裝,好控制,可靠性也要好,而且價格也不能太貴。集成這么多優(yōu)勢的元器件到底有沒有?

你不是在做夢,這種功率器件還真有,它就是集成多個元器件的功率模塊。下圖是Vincotech公司推出用于光伏逆變器的功率模塊,它結構緊湊,將多個分立器件集成到一個模塊中,減少了器件之間連線的寄生阻抗。功率模塊驅動回路與主功率回路從不同的管腳分別引出,減少了IGBT主功率回路對驅動回路的電磁干擾。模塊配置了NTC電阻,可以精準地檢測模塊內(nèi)部溫度。
前級DC-DC電路 由2個高速IGBT、4個碳化硅二極管和一個溫度傳感器等7個元器件組成,包含雙路boost模塊,額定電流為50A,可以支持25kW的MPPT回路。
后級采用高效MNPC三電平IGBT模塊,由4個50-80A的IGBT組成,一個模塊相當于8個分立器件。采用中點鉗位型的T型三電平結構,損耗低效率高,元器件承受的電壓低,壽命長。
古瑞瓦特推出的Growatt 30-50KTL3-S系列,50-60HE系列,全部采用最先進的功率模塊,結構緊湊,運行穩(wěn)定得到了客戶的高度評價。

原標題:光伏逆變器拓撲結構與功率器件的發(fā)展
 
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