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采用功率集成模塊設計出高能效、高可靠性的太陽能逆變器

本文作者：安森美點擊： 2019-08-09 16:10

前言：

隨著能源和環境問題日益凸顯，太陽能作為一種清潔的可再生能源迅速發展，太陽能發電設施激增，其中逆變器必不可少。安森美半導體的功率集成模塊(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆變器設計。

太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)和儲能系統(ESS)架構
在電池供電的工作狀態下，UPS、ESS和太陽能逆變器由DC-DC轉換器和DC-AC逆變器組成，解決方案享有高度的相似性和通用性。如圖1所示，20至200kVA組串型太陽能逆變器含升壓電感、升壓模塊、直流母線電容、逆變器模塊、交流濾波電感和電容，而20至50kVA的UPS/ESS含輸入濾波、功率因數校正 (PFC)、整流器、直流母線電容、逆變器模塊、濾波電感和電容。UPS可在斷電或電源不穩定的情況下提供備用電源，廣泛用于為電信和數據中心、各種工業設施等無數應用中的關鍵器件供電。ESS正越來越多地與可再生能源結合部署，以保障不間斷的供電并促進電網的現代化。

圖1：太陽能逆變器/UPS/ESS典型框圖

太陽能逆變器/UPS/ESS方案及趨勢
由于對更高能效的需求，逆變器模塊在典型應用中普遍采用多電平結構，尤其是3電平(NPC 或 T-NPC) 逆變器很受歡迎，因為3電平比2電平逆變器能效更高，電流總諧波失真(THD)更小，輸入漏電流低，輸出濾波更小更接近理想的正弦波。當然由于IGBT數、驅動器數、輔助電源數增加，物料單(BOM)成本、控制方案復雜度也會增加。安森美半導體提供PIM方案，采用不帶工頻變壓器的多串逆變器結構，同時優化芯片組及布板以降低損耗，達到高頻開關，高能效及高功率密度的整體實現。

典型的3電平逆變器拓撲
TNPC、NPC、ANPC是3種典型的3電平逆變器拓撲，TNPC實現低開關損耗，NPC過去廣泛采用，而ANPC則具備低寄生電感的優勢。安森美半導體提供的三電平方案涵蓋20kW至220kW輸出功率，采用Q0、Q1、Q2的不同封裝供不同功率段的用戶選擇。Q0、Q1封裝分別用于達25kW、40kW的升壓模塊和達15kW、20kW的逆變模塊。Q2封裝帶銅基板，因而增強散熱性，用于達220kW的1500V逆變模塊和達90kW的1100V逆變模塊。

表1：典型的3電平逆變器拓撲

推薦的升壓及逆變器模塊及PIM選型指南
表2列出了安森美半導體目前提供的升壓及逆變器模塊。這些模塊都集成高速IGBT、Si/SiC二極管，實現高能效、緊湊的設計，內置熱敏電阻，提供高可靠性，采用焊接/壓合引腳，易于安裝。

PIM_OPN	產品說明	封裝	封裝選擇
升壓模塊
NXH80B120H2Q0SG	Q0PACK / 雙升壓/1200V, 40A IGBT 和SiC 二極管 MPPT數：2 IGBT額定電流：41A SiC二極管額定值：3X5A	PIM Q0	焊接引腳
NXH80B120L2Q0SG	Q0PACK /雙升壓/1200V, 40A IGBT 和Si二極管	PIM Q0	焊接引腳
NXH100B120H3Q0SG/PG	Q0PACK /雙升壓/1200V, 40A IGBT和SiC二極管 MPPT數：2 IGBT額定電流：50A SiC二極管額定值：2X10A	PIM Q0	焊接引腳/壓合引腳
NXH240B120H3Q1PG	Q1PACK / 3通道升壓/ 1200V IGBT和SiC二極管 MPPT數：3 IGBT額定電流：68A SiC二極管額定值：4X5A	PIM Q1	壓合引腳
逆變模塊
NXH80T120L2Q0S2G	Q0PACK / 80A TNPC 逆變器 3相逆變器最大總功率：30kVA 3相逆變器中的模塊數：3	PIM Q0	焊接引腳
NXH160T120L2Q1PG/SG	Q1PACK / 160A TNPC逆變器 3相逆變器最大總功率：6kVA 3相逆變器中的模塊數：3	PIM Q1	壓合引腳/焊接引腳
NXH160T120L2Q2F2SG	Q2PACK /160A TNPC逆變器 3相逆變器最大總功率：90kVA 3相逆變器中的模塊數：3	PIM Q2	焊接引腳
NXH25T120L2Q1PG	Q1PACK / 25A TNPC 逆變器 3相逆變器最大總功率：10kVA 3相逆變器中的模塊數：1	PIM Q1	壓合引腳/焊接引腳
NXH450N65L4Q2F2SG	Q2PACK / 1100V 系統INPC逆變器 3相逆變器最大總功率：140kVA 3相逆變器中的模塊數：3	PIM Q2	焊接引腳

表2：推薦的升壓及逆變器模塊

針對DC-DC升壓模塊，1個MPPT通道可支持最大約25A光伏(PV) 輸入(2個PV板并聯)，各模塊都有不同的MPPT數、IGBT額定電流、SiC二極管額定值，應根據應用所需的MPPT數和每路MPPT的功率選用適當的模塊和模塊數。

對于1100V最大直流母線的應用，需根據應用所需的逆變器功率等級選用相應的3電平DC-AC逆變器模塊。對于較小功率的逆變器需求，如10kVA，安森美半導體提供把a、b、c三相集中到1個Q1封裝的三合一方案。

此外，針對近期迅速增長的1500V光伏電站需求，安森美半導體還將推出1500V 三電平逆變器和升壓模塊，其1000V IGBT晶圓與市場主流的1200V晶圓相比，有較薄的襯底區，因此導通電阻更小，損耗明顯降低。針對單相逆變器，安森美半導體將推出采用H6.5拓撲的模塊，與廣泛應用的H橋拓撲相比，大大降低共模電流以滿足無隔離變壓器并網的安規要求?？紤]到未來家用增加電池儲能的需求，在晶圓選取時考慮雙向功率流動，即可向電網送電，也可從電網取電存儲在電池里，功率因數為1或-1時都可高效運行。

在選擇PIM時，首先應知曉應用需求，如額定功率和電壓、是否需要升壓模塊、是采用3相還是單相、采用什么拓撲，然后和應用工程師一起計算所需的模塊數量，并用仿真軟件計算損耗和最高結溫。

實用設計示例
圖2是一臺60kW太陽能逆變器產品電路圖。以1100V三相逆變器為例，紅色框圖所示為1個直流升壓模塊，用于將較低的光伏板輸入電壓提升到較高的直流母線電容電壓，藍色框圖所示為TNPC三電平逆變模塊，實現直流到交流的能量轉換。

圖2：太陽能逆變器電路(1100 V三相逆變器)

此外，還用到一些無源器件如電解電容、薄膜電容、共模電感、AC 濾波電感、DC 濾波電感、AC繼電器等。電解電容支持直流母線電壓的穩定，薄膜電容用于吸收IGBT開關時產生的尖峰電壓，共模電感在共模回路中提供高阻抗，抑制共模干擾EMI、共模損耗。

若要設計1個80kW系統，假設選用4個Q0升壓模塊NXH80B120H2Q0SG和3個Q2Pack逆變模塊NXH160T120L2Q2F2S1G，則每個MPPT的功率為：80/8 =10kW，PV電流為： 10kW/600V=16.67A，每個逆變模塊的功率為：80/3=26.67kW。然后，通過仿真軟件輸入如下系統條件參數，計算能效并評估IGBT和二極管的結溫。

圖3：80 kW系統的設計示例

仿真結果顯示，該設計方案的系統能效超過98%，損耗和熱性能表現佳，因此是可行的。

門極驅動電路設計考量
IGBT的導通、關斷需要給cge電路充電放電。在光伏應用領域，控制信號和高壓回路是需要隔離的。在布板時，應盡量將門極驅動電路放置在PIM模塊附近，以減小驅動回路雜散電感，因為較高的雜散電感可能會引起門極電壓振蕩。在選取門極電阻值Rg時，需要在開關損耗和電壓、電流應力之間進行折中。此外，設計人員需關注隔離芯片的共模瞬態抑制 (CMTI)參數。

總結
全球都在轉向可再生能源如太陽能替代傳統能源，以解決日益凸顯的能源和環境問題。安森美半導體提供各種3電平逆變器模塊和升壓模塊，采用優化的功率半導體器件和封裝設計，在太陽能逆變器、UPS和ESS系統中提供超過98%的能效和高可靠性，并提供各種與電源模塊一起使用的門極驅動器以優化系統性能，同時輔以迅速、深入的技術支持，協助客戶贏得商機和拓展業務。

關于安森美半導體
安森美半導體(ON Semiconductor，美國納斯達克上市代號：ON)致力于推動高能效電子的創新，使客戶能夠減少全球的能源使用。安森美半導體領先于供應基于半導體的方案，提供全面的高能效電源管理、模擬、傳感器、邏輯、時序、互通互聯、分立、系統單芯片(SoC)及定制器件陣容。公司的產品幫助工程師解決他們在汽車、通信、計算機、消費電子、工業、醫療、航空及國防應用的獨特設計挑戰。公司運營敏銳、可靠、世界一流的供應鏈及品質項目，一套強有力的守法和道德規范計劃，及在北美、歐洲和亞太地區之關鍵市場運營包括制造廠、銷售辦事處及設計中心在內的業務網絡。更多信息請訪問http://www.onsemi.cn。

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