微型逆變器（Micro-inverter）作為組件級(jí)的電力電子設(shè)備（MLPE），能夠充分利用每塊光伏電池板，實(shí)現(xiàn)組件級(jí)的監(jiān)控與保護(hù)。并且由于其易于安裝，保修時(shí)間長(zhǎng)，在戶用市場(chǎng)受到越來(lái)越多的重視。本文簡(jiǎn)單介紹了微逆的發(fā)展歷程，解析了當(dāng)前常見(jiàn)的兩種微逆拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供了非常有競(jìng)爭(zhēng)力的英飛凌解決方案。針對(duì)未來(lái)最有前景的基于Cyclo拓?fù)涞奈⒛妫攸c(diǎn)介紹了英飛凌的寬禁帶解決方案，為下一代的微逆提供一個(gè)展望的方向。
微逆概述
在新能源系統(tǒng)構(gòu)成中，除了集中式和組串式逆變器外，還有一種易于安裝、配置靈活的微型逆變器（Micro-inverter）。顧名思義，微型逆變器的功率較小，因此通常只連接一塊或幾塊太陽(yáng)能電池板。作為逆變器，微逆需要將光伏板的低壓直流電，轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)所用的交流電。通常一塊光伏板電壓在50V左右，而交流電網(wǎng)電壓往往高達(dá)上百伏，這樣高的電壓/電流變比對(duì)變換器的增益有很高的要求。這時(shí)如果使用普通的非隔離PWM變換器，開(kāi)關(guān)管工作的占空比會(huì)很大或者很小，變換器的效率很低，功率器件的應(yīng)力也比較大。自然而然地，在變換器中引入耦合電感或者變壓器，通過(guò)匝比來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓匹配成為在微逆中的優(yōu)選方案。
從功能上來(lái)說(shuō)，微逆需要具備快速關(guān)斷(Rapid Shut Down,RSD)，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，逆變(Inverter)三種功能。RSD在2014年在NEC上被提出來(lái)，旨在發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)快速切斷光伏電池板與直流母線的連接，保證消防員的安全。MPPT是光伏行業(yè)人員都非常熟悉的，在之前的文章中也有介紹。但與傳統(tǒng)集中式或組串式MPPT電路不同，在微逆中該功能的實(shí)現(xiàn)并不一定采用Boost來(lái)升壓，也有使用Buck、全橋、反激等電路的，這主要與后級(jí)電路的多樣性有關(guān)。
微逆的電路拓?fù)?/strong>
從電路結(jié)構(gòu)上而言，微型逆變器經(jīng)歷了從多級(jí)式到兩級(jí)式，再到單級(jí)式的歷程[1]。電能從光伏電池板輸出到與交流電網(wǎng)并聯(lián)，中間經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)越少，效率往往越高。多級(jí)式或者兩級(jí)式微逆如圖1所示，由前級(jí)DC/DC加后級(jí)DC/AC構(gòu)成，前級(jí)DC/DC具備MPPT與升壓功能，將電壓抬升至逆變所需直流母線電壓，后級(jí)DC/AC逆變并網(wǎng)。
圖1.兩級(jí)型微型逆變器
圖2.單級(jí)型微型逆變器
兩級(jí)式的微逆還有兩種細(xì)分類型——電壓源型和電流源型。電壓源型控制交流側(cè)的輸出電壓，前級(jí)DC/DC的輸出如圖3是一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，這種結(jié)構(gòu)的微逆后級(jí)DC/AC工作在高頻狀態(tài)。電流源型的微逆主控量則是電流，其直流側(cè)輸出不再是穩(wěn)定的直流，而是如圖4所示這種帶交流分量的“饅頭波”，后級(jí)的工頻極性轉(zhuǎn)換電路將此饅頭波分正負(fù)輸出，形成并網(wǎng)的正弦波。這種電流源型的微逆相比于電壓型微逆而言，器件的電壓應(yīng)力更小，結(jié)構(gòu)與控制更簡(jiǎn)單，在目前主流的微逆機(jī)型中被廣泛應(yīng)用。
圖3.電壓源型微逆的DC輸出
圖4.電流源型微逆的DC輸出
兩級(jí)式微逆的DC/DC
兩級(jí)式的微型逆變器前級(jí)的DC/DC考慮到電壓傳輸比的問(wèn)題，往往采用圖5和圖6所示的DAB、反激這樣的隔離拓?fù)洹Ｈ绾蝺?yōu)化這兩種隔離拓?fù)涞臒o(wú)源器件設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)以減小開(kāi)關(guān)損耗提高功率密度，都是微逆中重點(diǎn)研究的內(nèi)容[2]。DAB拓?fù)淇梢杂行Ю米儔浩鞯穆└袑?shí)現(xiàn)ZVS，開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到百kHz以上，并且其器件電壓應(yīng)力更低，只是器件數(shù)量更多一些。反激型微逆拓?fù)涓鼮楹?jiǎn)單，但是主動(dòng)管的電壓應(yīng)力較高，如果所用變壓器的漏感較大，則所需主動(dòng)管的耐壓可能高達(dá)電池板電壓的3-4倍。如果設(shè)計(jì)在CCM模式下，一般定頻工作，控制更為簡(jiǎn)單，EMC也更為友好；若是設(shè)計(jì)在BCM或者DCM模式下，一般是變頻工作但能實(shí)現(xiàn)ZVS。當(dāng)然，也有給反激電路增加額外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的做法。總體來(lái)說(shuō)，雖然反激電路本身比較簡(jiǎn)單常用，但其在微逆領(lǐng)域的應(yīng)用還有不少值得研究的技術(shù)點(diǎn)。
圖5.DAB型DC/DC
圖6.反激型DC/DC
對(duì)于采用DAB的微逆拓?fù)洌w凌有表1所示的解決方案。
表1.微逆中的DAB解決方案
若是采用反激電路作為DC/DC級(jí)，表2給出了英飛凌的解決方案。即將推出的150V OptiMOS™ 6 相比于上一代的OptiMOS™ 5，如圖7所示Rdson降低30%以上，開(kāi)關(guān)損耗也有較大的降低。既有適用于軟開(kāi)關(guān)的ISC0x系列，也有適用于硬開(kāi)關(guān)場(chǎng)合的IPT02x系列。
表2.微逆中的反激電路解決方案
圖7.OptiMOS™ 6的性能提升
兩級(jí)式微逆的DC/AC電路
如前面所言，電壓型和電流型微逆都有一個(gè)DC/AC電路，只是電流源型所需的是工頻的電路而電壓源型所需是高頻開(kāi)關(guān)。圖8這種Unfolding電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MOSFET工作在工頻狀態(tài)，主要損耗為導(dǎo)通損耗，600V-950V CoolMOS™ P7甚至1200V的IGBT都適用于這種場(chǎng)合。圖9這種全橋電路是典型的電壓源型逆變器，其中一個(gè)橋臂工作在工頻狀態(tài)，另一橋臂則高頻開(kāi)關(guān)以減小輸出電壓的諧波。最優(yōu)化的設(shè)計(jì)自然是根據(jù)工作狀態(tài)的不同為兩橋臂選擇不同的MOSFET，只是也可以從600V-950V CoolMOS™ P7進(jìn)行選擇。從拓?fù)湟部梢钥闯觯琔nfolding電路由于器件特性，對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰τ邢蓿蝗珮蚰孀冸娐房梢噪p向運(yùn)行，自然有充足的無(wú)功補(bǔ)償能力，但是需要增加額外的LCL濾波器。
圖8.Unfolding電路
圖9.全橋DC/AC電路
單級(jí)型微逆
單級(jí)型的微逆的結(jié)構(gòu)如圖2，它沒(méi)有直流母線，通過(guò)高頻的交-交變換，實(shí)現(xiàn)從低壓直流到高壓交流的能量傳遞[3]，當(dāng)下被研究最多的是圖10所示的周波變換器(Cyclo-converter)。由于其變換級(jí)數(shù)少，并且可以在大多數(shù)工況實(shí)現(xiàn)ZVS，其效率可以高達(dá)97.5%以上。但是這種拓?fù)涠鄠€(gè)功能都需要由一級(jí)電路里的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，這給控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)。并且由于周波變換器開(kāi)關(guān)管的工作頻率較高，如何使得大部分工況下的大部分開(kāi)關(guān)管處在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也成為當(dāng)前在Cyclo微型逆變器拓?fù)溲芯恐械臒狳c(diǎn)[4]。
將諧振變換器與Cyclo變換器結(jié)合，又可以得到圖11所示的諧振型Cyclo。這種拓?fù)涑俗匀坏腪VS之外，還能提供開(kāi)關(guān)頻率、原副邊移相角、橋臂內(nèi)移相角等多控制自由度，為MPPT控制、功率控制以及無(wú)功補(bǔ)償提供了控制上的可能。
圖10.Cyclo Inverter
圖11.諧振型Cyclo Inverter
對(duì)于Cyclo變換器，英飛凌有多種解決方案。傳統(tǒng)的Si解決方案與DAB方案類似，見(jiàn)表3 Cyclo Inverter的傳統(tǒng)Si解決方案。
表3.Cyclo Inverter的傳統(tǒng)Si解決方案
英飛凌在收購(gòu)了GaN System™之后，擁有更齊全的GaN產(chǎn)品路線。GaN作為寬禁帶器件，本身的扁平結(jié)構(gòu)非常適合在微逆中應(yīng)用，并且其開(kāi)關(guān)損耗很低，幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)能量，可以將微逆的開(kāi)關(guān)頻率推到很高，進(jìn)一步減小電感、電容尺寸。特別對(duì)于交流側(cè)的雙向開(kāi)關(guān)，英飛凌即將推出基于GaN的雙向開(kāi)關(guān)BDS，在單晶圓上實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)一步減小尺寸與封裝成本。
圖12.BDS示意
表4.Cyclo Inverter的GaN解決方案
微逆作為一種模塊化組件，有很多值得研究的問(wèn)題。比如市面上大多數(shù)的微逆都要求有25年的質(zhì)保以匹配組件的壽命，需要去除電解電容，如何高效解耦值得研究；Cyclo Inverter多個(gè)控制自由度如何配合，能夠全范圍ZVS并且有效抑制抑制過(guò)零點(diǎn)的電壓尖峰等都有大量學(xué)者和工程師在研究。英飛凌將與產(chǎn)業(yè)界一起推動(dòng)微逆的發(fā)展與進(jìn)步，在后續(xù)文章中也會(huì)針對(duì)大家感興趣的點(diǎn)再進(jìn)行深入討論。
參考文獻(xiàn)
[1] Q. Li and P. Wolfs, “A Review of the Single Phase Photovoltaic Module Integrated Converter Topologies With Three Different DC Link Configurations,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 3, pp. 1320-1333, May 2008
[2] 張哲，模塊化光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中微型逆變器和功率優(yōu)化器結(jié)構(gòu)和控制策略研究，浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2014
[3] H. Krishnaswami, "Photovoltaic microinverter using single-stage isolated high-frequency link series resonant topology," ECCE, Phoenix, AZ, USA, 2011, pp. 495-500
[4] 湯欣喜，定頻/窄變頻寬增益諧振變換方法研究，南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文，2020