【技术大神】手把手教你如何设计光伏逆变器

时间： 2016-09-19 来源：技术大神活动文章

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功率模块,电力电子功率器件,电力电子功率模块,10-FZ07BIA030SM01-P894E68

为了缓解日益严重的能源危机，新能源发电一直是国内外研究的热点和未来大力发展的方向。光伏发电作为新能源发电领域的重要分支近年来迅速发展，并且随着技术研究的深入以及市场需求的导向，光伏发电设备逐渐向高频化、微型化、高效化发展，致力于达到光伏逆变器的高频、高效、高功率密度。

为了达到这些目标，就要求开关器件可以达到较高的开关频率，较低的开关损耗和导通损耗，同时要合理布线，减少主电路中的电磁干扰。为了实现高功率密度，还可以利用高集成度的模块代替分立器件。笔者曾经用VINCOTECH的10-FZ07BIA030SM01-P894E68集成模块作为主电路模块，设计过一款光伏逆变器。本文将叙述一下逆变器的选型设计过程，供各位参考。

光伏电池阵列
光伏逆变器的输入电源为太阳能电池板阵列。太阳能电池板阵列的特点是输出电压低，输出特性受光照等环境因素影响较大。所以光伏板的输出电压是一个动态变化的曲线，如图1所示为光伏阵列的最大功率曲线图。在选定的功率与最大功率点电压或电流值下，有确定的一条最大功率曲线，光伏阵列的输出电压、电流和功率在任意时刻都是曲线上的一点。通常情况会先根据功率等级确定主电路结构采用单机结构还是两级结构。对于功率较小的光伏微型逆变器，功率等级通常在几百瓦左右，为了追求高功率密度，可以采用单级结构。但对于笔者设计的4kW光伏逆变器，由于功率等级较高则需采用两级结构，即先经过DC/DC变换，再经过DC/AC变换。

图1：光伏阵列PV曲线

双级型光伏逆变器主电路的构成与选择
1）DC/DC变换器主电路选择
为了给负载提供稳定可靠的、有固定电压值的电源，同时最大效率地利用光伏阵列转化所得的电能，在太阳能电池板阵列与逆变器之间设计的DC/DC变换器，应该具有升压功能，并在该变换器的输入端进行MPPT（最大功率跟踪）控制。该变换器应首选Boost电路，理由是Boost电路原理简单，开关器件少，效率最高。这里要说明一下，两级结构的光伏逆变器效率应为两级变换器各自效率的乘积。因此，为了提高光伏逆变器的效率，DC/DC变换器的效率应尽可能高，电路结构尽可能简单。

2）DC/AC逆变器主电路选择
逆变器的电路拓扑可以选择全桥电路。全桥电路结构简单，控制策略成熟，开关管个数少，因此经济可靠。在DC/DC变换器和逆变器之间应设计一个电容，用来解耦两级变换器。图2所示为光伏微型逆变器的原理图。

图2：光伏微型逆变器原理图

双级型光伏逆变器主要开关器件的选择
10-FZ07BIA030SM01-P894E68模块将Boost电路和全桥逆变器集成在一起，外形图和原理图如图3所示。其中Boost电路的MOSFET还采用了SiC二极管器件，使得变换器能达到较高的开关频率，并具有更高的效率和更低的损耗。该模块的额定电压为650V，额定电流为30A，可以满足笔者4kW的光伏逆变器的设计需求。它的体积仅有约28cm³，可以满足高功率密度的要求，同时模块内部还集成了热敏电阻，为温度保护提供了便利。采用该模块还可以减少布线带来的电磁干扰，使变换器具有更好的可靠性和稳定性。

（a）外形图

（b）原理图

图3：10-FZ07BIA030SM01-P894E68模块外形图和原理图

此外，10-FZ07BIA030SM01-P894E68的引脚距离较近，在使用过程中应注意合理布局布线，保证功率的同时保证爬电距离。

总结
光伏逆变器的主电路形式有很多种，以上是笔者设计双级型的一个实例。

首先是设计之前先要了解光伏电池阵列的特性，需要的话可能要先确定光伏电池阵列的串并联组合形式，来确定光伏逆变器的输入特性。当然输出要求也需要明确。然后通过功率等级确定光伏逆变器是单极式还是双极式，是带变压器还是无变压器。

再者就是通过需求选择主电路形式。本文中提出的主电路形式非常典型，有很大的参考价值。

最后就是根据主电路形式选择搭建主电路的功率器件，Vincotech公司的模块功率密度高、开关频率高，寄生参数小，有部分模块还会使用SiC器件，非常适用于高功率密度、高频、高效的产品设计中。

以上就是笔者设计的4kW光伏逆变器主要开关模块选型的全过程，在选型过程中经过多种方案的仿真比对，最终形成了以上的最符合笔者需求的方案。希望这个设计过程可以让大家了解光伏逆变器的设计与主电路和主电路器件的选型方法。

作者：苗雨

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全部评论（2）

用户10299845 Lv6. 高级专家 2018-11-12

写得仔细点就好了
喜欢笑的那个她 Lv7. 资深专家 2017-11-23

概念论述，能写一下详细的控制过程就好了，最起码把拓扑结构分析一下

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