星欧娱乐-科技注册场景,让平台更好玩。光伏逆变器组件与功率器件前途-KIA MOS管

光伏逆变器组(zu)件(jian)与功率器件(jian)前途(tu)-KIA MOS管

信息来源：本站　日期：2018-01-12　

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光(guang)伏(fu)逆变器拓扑结构与(yu)功率器件的(de)展开

光伏逆(ni)(ni)变(bian)器(qi)作为电力电子(zi)技术(shu)行(xing)业的(de)一个重要分支，其(qi)(qi)技术(shu)进(jin)步高度依赖于电子(zi)元器(qi)件和控制(zhi)技术(shu)的(de)展(zhan)开。而随着光伏发电微风(feng)力发电等新(xin)能源大范围应用和降本钱的(de)需求，反过来(lai)又推(tui)进(jin)了电力电子(zi)技术(shu)的(de)展(zhan)开，近年来(lai)逆(ni)(ni)变(bian)器(qi)厂家竞争猛烈(lie)，其(qi)(qi)总体趋向是体积(ji)越(yue)来(lai)越(yue)小，重量是越(yue)来(lai)越(yue)轻，销售价钱越(yue)来(lai)越(yue)低，那么，逆(ni)(ni)变(bian)器(qi)厂家是采(cai)取哪些方法怎样(yang)完(wan)成的(de)？

1、尽量减(jian)少功率器件的数(shu)量，进(jin)步功率器件的开关频(pin)率。

2、尽量增加功率器件(jian)的数量，降低(di)功率器件(jian)的开关(guan)频(pin)率。

你没有看错，这两个貌似(si)相互(hu)矛盾的(de)方案，确是逆(ni)(ni)变(bian)(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)行业(ye)技术(shu)(shu)道路的(de)真实写照。为什么是这种情(qing)况，逆(ni)(ni)变(bian)(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)的(de)中(zhong)心技术(shu)(shu)是热设计技术(shu)(shu)和输出电流谐波控制技术(shu)(shu)，功率(lv)(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)开关频率(lv)(lv)越高，输出波形就越好，但器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)损(sun)耗也越高，逆(ni)(ni)变(bian)(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)体积(ji)最大(da)，最贵的(de)两种器(qi)(qi)(qi)件(jian)是散热器(qi)(qi)(qi)和电感，它们(men)(men)的(de)体积(ji)、本(ben)钱(qian)，重量约占逆(ni)(ni)变(bian)(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)的(de)30%左右，逆(ni)(ni)变(bian)(bian)(bian)器(qi)(qi)(qi)怎样降(jiang)本(ben)钱(qian)，怎样减(jian)少体积(ji)，都要(yao)在它们(men)(men)俩身上打主意。

要想减少散热(re)器(qi)的体(ti)积，就必需求减少功(gong)率器(qi)件的热(re)损耗，目(mu)前有两(liang)种技(ji)术道路：

一是采用碳化硅材(cai)料的元器(qi)(qi)件，降低功(gong)率器(qi)(qi)件的内阻

二是采用(yong)三电(dian)(dian)平(ping)，五(wu)电(dian)(dian)对(dui)等(deng)多电(dian)(dian)平(ping)电(dian)(dian)气(qi)拓扑以及(ji)软开(kai)(kai)关(guan)技术，降(jiang)低(di)功(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)两(liang)端的电(dian)(dian)压，降(jiang)低(di)功(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)的开(kai)(kai)关(guan)频率(lv)(lv)。电(dian)(dian)感是控制逆变器输出(chu)波(bo)形最关(guan)键的硬(ying)件(jian)(jian)，要想减少(shao)电(dian)(dian)感的体积，就必需增加功(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)的开(kai)(kai)关(guan)频率(lv)(lv)。

1、功率(lv)开关管的(de)历史：

第一代(dai)是(shi)可控硅，也(ye)称晶(jing)闸管(SCR)，它(ta)只(zhi)能(neng)控制器(qi)件(jian)(jian)(jian)导通，器(qi)件(jian)(jian)(jian)关通要靠(kao)主电路(lu)电压反向来中(zhong)止，因此说(shuo)它(ta)是(shi)一种(zhong)半控型(xing)器(qi)件(jian)(jian)(jian)，它(ta)的(de)(de)开关容量大(da)，能(neng)抵达几万安培，耐压高，但驱动电路(lu)结(jie)构很复杂，器(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)开关频率低，损耗也(ye)较大(da)。

第二代是GTR，是电(dian)(dian)流控制型双(shuang)极双(shuang)结电(dian)(dian)力电(dian)(dian)子器(qi)件(jian)，它具(ju)有开关损耗小和阻断电(dian)(dian)压高的优点，但(dan)开关频率不高，驱(qu)动电(dian)(dian)流较大。

第三代(dai)是MOSFET，它是一种电压控制(zhi)型器件，控制(zhi)功率极低，开关频(pin)率高，但输出特性不好。

第(di)四(si)代(dai)是绝缘栅晶体管(IGBT)，它是一(yi)种用MOS栅控制(zhi)的(de)晶体管，它集中了GTR和(he)MOSFET的(de)优点(dian)，驱动(dong)电(dian)路简(jian)单和(he)开关频率高，和(he)MOSFET相(xiang)似，输出电(dian)流大和(he)GTR相(xiang)似，第(di)五代(dai)是参与SIC碳(tan)化(hua)硅材料的(de)MOSFET和(he)IGBT以及碳(tan)化(hua)硅肖特基二极管。

碳化(hua)(hua)硅(gui)(SiC)器(qi)件(jian)属于宽(kuan)禁带半(ban)导体组别(bie)，与常(chang)用(yong)硅(gui)(Si)器(qi)件(jian)相比，有(you)许多优势：一(yi)、是(shi)耐(nai)高(gao)压(ya)，碳化(hua)(hua)硅(gui)器(qi)件(jian)具备(bei)更(geng)高(gao)的(de)(de)击穿电场强度(du)，最(zui)(zui)(zui)高(gao)耐(nai)压(ya)可达10kV，比硅(gui)(Si)器(qi)件(jian)耐(nai)压(ya)进步(bu)了(le)几倍；二、是(shi)耐(nai)高(gao)温，其最(zui)(zui)(zui)高(gao)结温可达600度(du)，而(er)最(zui)(zui)(zui)新英飞(fei)凌(ling)的(de)(de)PrimePACK第(di)四代IGBT，其最(zui)(zui)(zui)高(gao)结温是(shi)175度(du)；三、是(shi)碳化(hua)(hua)硅(gui)器(qi)件(jian)开关(guan)损(sun)(sun)耗(hao)非(fei)(fei)常(chang)低，非(fei)(fei)常(chang)适宜用(yong)于高(gao)开关(guan)频率系(xi)统，当开关(guan)频率大(da)于20Khz时，碳化(hua)(hua)硅(gui)器(qi)件(jian)损(sun)(sun)耗(hao)是(shi)硅(gui)IGBT的(de)(de)50%。IGBT+Si二极管的(de)(de)损(sun)(sun)耗(hao)，随(sui)着频率的(de)(de)改(gai)(gai)动(dong)损(sun)(sun)耗(hao)变化(hua)(hua)幅度(du)非(fei)(fei)常(chang)大(da)，而(er)IGBT+SiC二极管的(de)(de)损(sun)(sun)耗(hao)，随(sui)着频率的(de)(de)变化(hua)(hua)改(gai)(gai)动(dong)不是(shi)很大(da)。特别(bie)是(shi)在(zai)16K到48K，其总损(sun)(sun)耗(hao)几乎是(shi)线(xian)性的(de)(de)，增加幅度(du)较(jiao)小。

但是碳(tan)化硅(gui)也(ye)有缺点，限制了(le)它(ta)的(de)应用范围：

一、是电流(liu)较小，迄(qi)今(jin)为止SiCMOSFET和(he)肖特(te)基二极管的最大额定电流(liu)小于(yu)100A，大功率逆变器用不上；

二、是产(chan)能缺乏(fa)，价(jia)钱还比较贵；

三、是稳定性和硅基IGBT相比(bi)还差(cha)一点；

2、软开(kai)关(guan)与多电平技术

软(ruan)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(guan)技术应(ying)用谐振原理，使(shi)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(guan)器(qi)件(jian)(jian)中(zhong)的电(dian)流(liu)(liu)或(huo)者电(dian)压按正弦(xian)或(huo)者准(zhun)正弦(xian)规律变化，当(dang)电(dian)流(liu)(liu)自然(ran)过零时，关(guan)(guan)(guan)(guan)断器(qi)件(jian)(jian)；当(dang)电(dian)压自然(ran)过零时，开(kai)(kai)通器(qi)件(jian)(jian)。从(cong)而减少了开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(guan)损耗(hao)(hao)，同时极大地处置(zhi)了理性(xing)关(guan)(guan)(guan)(guan)断，容性(xing)开(kai)(kai)通等问题。当(dang)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(guan)管两端(duan)的电(dian)压或(huo)流(liu)(liu)过开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(guan)管的电(dian)流(liu)(liu)为零时才(cai)导通或(huo)者关(guan)(guan)(guan)(guan)断，这(zhei)样(yang)开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(guan)管不会存在开(kai)(kai)关(guan)(guan)(guan)(guan)损耗(hao)(hao)。

软(ruan)开关谐振变(bian)(bian)换(huan)器(qi)是由电(dian)感、电(dian)容组成谐振电(dian)路，增加了很(hen)多器(qi)件，系统变(bian)(bian)得复杂，可靠性降低；由于光(guang)伏逆变(bian)(bian)器(qi)要保证功率要素为1，因(yin)此软(ruan)开关技术(shu)只适宜在前(qian)级(ji)DC-DC变(bian)(bian)换(huan)中(zhong)用到，后(hou)级(ji)的(de)DC-AC变(bian)(bian)换(huan)还需求多电(dian)平技术(shu)。

按照输出电(dian)(dian)压的电(dian)(dian)平(ping)数，逆(ni)变器(qi)可以分为两(liang)电(dian)(dian)平(ping)和多电(dian)(dian)平(ping)。

两电(dian)平(ping)(ping)换流(liu)器(qi)的(de)主要优点有(you)：电(dian)路结构简单，电(dian)容器(qi)数量(liang)少，占空(kong)中积小(xiao)。但由于两电(dian)平(ping)(ping)逆变器(qi)器(qi)件需求承受的(de)电(dian)压高，因此开关损(sun)耗较(jiao)大，为(wei)了避免呈现(xian)上述技术难题，多电(dian)平(ping)(ping)开端(duan)呈现(xian)，并遭到了越来越多的(de)关注(zhu)。

所谓多(duo)电(dian)平(ping)是指输出电(dian)压(ya)波形中(zhong)的(de)(de)电(dian)平(ping)数等于或者大(da)于3的(de)(de)换(huan)流器(qi)，如(ru)三电(dian)平(ping)、五电(dian)平(ping)、七电(dian)对(dui)等。多(duo)电(dian)平(ping)换(huan)流器(qi)降(jiang)低了两电(dian)平(ping)对(dui)开(kai)关(guan)(guan)器(qi)件(jian)两端(duan)的(de)(de)电(dian)压(ya)，可经过适合的(de)(de)调制方式减少(shao)开(kai)关(guan)(guan)器(qi)件(jian)的(de)(de)开(kai)关(guan)(guan)损(sun)耗，同时(shi)坚(jian)持交流侧较低的(de)(de)谐(xie)波。

两(liang)电平与多电平优点(dian)：

1）损耗对比，两电(dian)(dian)(dian)(dian)平中主开关承受电(dian)(dian)(dian)(dian)压为(wei)为(wei)全部(bu)母线电(dian)(dian)(dian)(dian)压，三电(dian)(dian)(dian)(dian)平为(wei)直流侧电(dian)(dian)(dian)(dian)压一半，五(wu)电(dian)(dian)(dian)(dian)平为(wei)直流侧电(dian)(dian)(dian)(dian)压四(si)分之一，电(dian)(dian)(dian)(dian)压的降(jiang)低(di)，带来(lai)损耗的降(jiang)低(di)和可靠性(xing)增加。

2）输(shu)出(chu)(chu)谐波(bo)：输(shu)出(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)台阶越多(duo)，波(bo)形越趋近与正弦(xian)波(bo)，三(san)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)系统相关于(yu)两(liang)(liang)(liang)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)系统，相当于(yu)把开关频率进步(bu)一倍(bei)，五电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)系统对两(liang)(liang)(liang)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)系统，相当于(yu)把开关频率进步(bu)两(liang)(liang)(liang)倍(bei)，后面(mian)的滤波(bo)电(dian)(dian)(dian)感容量就可(ke)(ke)以减少一到(dao)两(liang)(liang)(liang)倍(bei)。两(liang)(liang)(liang)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)与多(duo)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)缺陷：三(san)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)、五电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)和两(liang)(liang)(liang)电(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)(ping)器件(jian)数量相比(bi)，要多(duo)3倍(bei)到(dao)5倍(bei)，随着器件(jian)的增(zeng)加，主电(dian)(dian)(dian)道路(lu)路(lu)长，系统杂散电(dian)(dian)(dian)感增(zeng)加，系统的可(ke)(ke)靠性(xing)降低，控(kong)制算法也变得(de)很复杂。

综合起来，要想把逆变(bian)器(qi)体(ti)积降(jiang)低(di)(di)(di)，一个(ge)途径(jing)是运用碳(tan)(tan)化硅(gui)材料的(de)(de)功率开(kai)关(guan)器(qi)件，进步开(kai)关(guan)频(pin)率，降(jiang)低(di)(di)(di)电感(gan)的(de)(de)体(ti)积，但碳(tan)(tan)化硅(gui)目前技术(shu)还不是非常(chang)成熟，价钱较(jiao)贵，容(rong)量也比较(jiao)小，应用遭到限制；另一个(ge)途径(jing)是采用软开(kai)关(guan)和(he)多电平(ping)技术(shu)，可以降(jiang)低(di)(di)(di)器(qi)件的(de)(de)电压，减(jian)少损(sun)耗，从而减(jian)少散热器(qi)的(de)(de)体(ti)积，还可以间(jian)接(jie)进步开(kai)关(guan)频(pin)率，降(jiang)低(di)(di)(di)电感(gan)的(de)(de)体(ti)积，但是这个(ge)方(fang)案元器(qi)件增加几倍，增加了系(xi)统的(de)(de)风险(xian)。

有没有一种(zhong)器(qi)件，既有碳化硅材料的低(di)内(nei)阻，还有三电平结(jie)构的低(di)电压，整个系统的元器(qi)件还不(bu)能多，还要好安装(zhuang)，好控制(zhi)，可(ke)靠(kao)性也要好，而且价(jia)钱(qian)也不(bu)能太贵。集成(cheng)这么多优势(shi)的元器(qi)件到底(di)有没有？

这种功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件(jian)(jian)还真有，它就是(shi)集(ji)成多(duo)个(ge)(ge)元(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)(jian)的(de)功(gong)率(lv)(lv)模(mo)块(kuai)。下图是(shi)用(yong)于光伏逆变器(qi)的(de)功(gong)率(lv)(lv)模(mo)块(kuai)，它结构紧凑，将(jiang)多(duo)个(ge)(ge)分立器(qi)件(jian)(jian)集(ji)成到一个(ge)(ge)模(mo)块(kuai)中，减少(shao)了器(qi)件(jian)(jian)之间连线的(de)寄生阻(zu)抗。功(gong)率(lv)(lv)模(mo)块(kuai)驱(qu)动回(hui)路(lu)与主功(gong)率(lv)(lv)回(hui)路(lu)从不同的(de)管脚分别引出，减少(shao)了IGBT主功(gong)率(lv)(lv)回(hui)路(lu)对驱(qu)动回(hui)路(lu)的(de)电(dian)磁(ci)干扰。模(mo)块(kuai)配置了NTC电(dian)阻(zu)，可以(yi)(yi)精(jing)准地检测模(mo)块(kuai)内部温(wen)度。2802.png前级(ji)DC-DC电(dian)路(lu) 由2个(ge)(ge)高速IGBT、4个(ge)(ge)碳化硅二极(ji)管和一个(ge)(ge)温(wen)度传感器(qi)等(deng)7个(ge)(ge)元(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)(jian)组成，包含双路(lu)boost模(mo)块(kuai)，额(e)定电(dian)流为50A，可以(yi)(yi)支持25kW的(de)MPPT回(hui)路(lu)。

后级采用高(gao)效MNPC三电(dian)平(ping)IGBT模(mo)块，由4个50-80A的(de)IGBT组成，一个模(mo)块相(xiang)当于(yu)8个分(fen)立(li)器件。采用中点钳位型(xing)的(de)T型(xing)三电(dian)平(ping)结构，损耗(hao)低效率(lv)高(gao)，元器件承受的(de)电(dian)压低，寿命长。