光伏逆变器拓扑结构与功率器件的发展

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1、光伏逆变器拓扑结构与功率器件的发展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发展。而随着光伏发电和风力发电等新能源大规模应用和降成本的需要，反过来又推进了电力电子技术的发展，近年来，逆变器厂家竞争激烈，其总体趋势是体积越来越小，重量是越来越轻，销售价格越来越低，那么，逆变器厂家是采取哪些方法怎么实现的？1、尽量减少功率器件的数量，提高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路线的真实写照。为什么是这种情况，逆变器的核心技术是热设计技术和

2、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、成本，重量约占逆变器的30%左右，逆变器怎么降成本，怎么减少体积，都要在它们俩身上打主意。要想减少散热器的体积，就必须要减少功率器件的热损耗，目前有两种技术路线：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，五电平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，就必须增加功率器件的开关频率。功率开关管的历史：第一代是可控硅，

3、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进行，因此说它是一种半控型器件，它的开关容量大，能达到几万安培，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

4、代是加入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)器件耐压提高了几倍；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，非常适合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，随着频率的改变损耗变化幅度非常大，而IGBT+SiC二极管的损耗，

5、随着频率的变化改变不是很大。尤其是在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；二是产能不足，价格还比较贵；三是稳定性和硅基IGBT相比还差一点。软开关与多电平技术软开关技术利用谐振原理，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，同时极大地解决了感性关断，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

6、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因素为1，因此软开关技术只适合在前级DC-DC变换中用到，后级的DC-AC变换还需要多电平技术。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，占地面积小。但由于两电平逆变器器件需要承受的电压高，因此开关损耗较大，为了避免出现上述技术难题，多电平开始出现，并受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、七电平等。多电平换流器降低了

7、两电平对开关器件两端的电压，可通过合适的调制方式减少开关器件的开关损耗，同时保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，三电平系统相对于两电平系统，相当于把开关频率提高一倍，五电平系统对两电平系统，相当于把开关频率提高两倍，后面的滤波电感容量就可以减少一到两倍。两电平与多电平缺点：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，主电路线路