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太阳能和风能等可再生能源是降低碳排放的最有效方法之一。与风能不同， 光伏逆变器被广泛应用于多种用途。如今，结合储能系统，人们可以控制和储存这些免费能源。光伏逆变器的核心是大功率转换级、DCDC 升压转换器和 DC-AC 逆变器。随着功率开关的发展和终端产品产生的新需求，许多新的拓扑结构应运而生。学习和了解这些拓扑结构以及常用的产品，有助于对整个系统深入理解和快速设计。本指南全面介绍了太阳能逆变器设计方法，本文为第一篇，将介绍系统目标、市场趋势、系统实现、系统描述。

系统目标

随着文明的不断发展和人口密度的不断增加，二氧化碳排放的增长率开始变得难以控制。碳排放导致的全球变暖将引发气候恶化，不可避免地危害我们的家园。因此，作为一种解决方案，我们需要使用清洁能源，如风能和太阳能。

太阳能带来的主要优势在于，只要安装了光伏逆变器系统，它就是一种 "免费"能源。这一过程环保无污染，因为它不产生任何排放，而且它依赖于丰富且可持续的能源——太阳。使用太阳能有助于应对气候变化，减少对化石燃料的依赖，并提供可靠的能源来源。此外，它还能降低电费，从而为个人和企业节省长期成本。

光伏逆变器有多种类型，其类型（集中式、组串式、微型）或终端应用（住宅、商业、大型电站）各不相同。目前，组串式逆变器（string inverter）是最受欢迎的类型，因为它具有灵活且易于安装的特点。随着功率器件的不断更新换代，单套逆变器的功率等级/功率密度不断提高，而单价和体积却越来越小，这使其成为光伏逆变器市场的主流。

集中式光伏逆变器通常安装在大型光伏电站中，具有超高容量。但是，由于安装位置的限制，近年来， 组串式光伏逆变器的新增总容量已经超过了集中式光伏逆变器。微型光伏逆变器主要用于住宅发电，同时也广泛应用于路灯和交通灯等城市基础设施的供电。

市场信息与展望

● 碳化硅替代方案

碳化硅（SiC）器件在当前的趋势下能够提供更高的效率。与传统的硅基 MOSFET/IGBT 相比，碳化硅器件在高电压应用中更为适用。高电压器件可简化拓扑结构，无需使用多电平转换器。SiC 逆变器解决方案的损耗低于 IGBT 解决方案。 SiC MOSFET 的开关速度也更快，因此可以缩小无源器件（尤其是电感器）的尺寸。这两个因素提高了功率密度，使相同尺寸和重量的设备具有更高的功率。不过， 需要在成本和性能之间进行权衡，了解实际要求以决定最合适的解决方案。

● IGBT 与碳化硅二极管

SiC 二极管的替代正变得越来越普遍，尤其是在 DC-DC 阶段，因为其成本越来越低廉，无需对电路设计进行大的改动，最重要的是，系统性能得到了很好的改善。此外， 提高频率还能减小无源器件的尺寸。

在大功率产品（> 200 kW）中， IGBT 是首选，因为 IGBT 在处理大电流时具有良好的性能。而且系统不需要很高的工作开关速率，这意味着较慢的 IGBT 关断速度不会带来太多问题。另一方面，完整的 SiC 系统需要全新的系统设计，成本很高。例如，基于 IGBT 的转换器的驱动电路与基于 SiC 的系统不兼容。还需要考虑新的保护方法，因为 SiC 元件的短路耐受时间（SCWT）比 IGBT 短。

● 更高的母线电压

随着大功率需求的不断增长，由于电流更低，采用 1500V 替代 1100V 组串式逆变器可以降低给定功率下的互连成本。为了满足这种趋势，已经开发出了更高电压的开关。无论是使用高压开关还是多电平拓扑结构，都可以显著提高光伏逆变器的运行功率。请参见 1500V 逆变器和 1100V 逆变器的比较。

● 两电平拓扑的回归？

正如前文所述，三电平光伏逆变器因其优化了电磁干扰性能、开关损耗和电感上的电流纹波，通常是大功率光伏逆变器的首选。然而，它也给 PCB 设计和开关方案带来了挑战。随着碳化硅技术的发展，最大工作电压≥2000 V 的功率模块和功率分立器件已被开发出来并且正式发布，但距离量产仍有差距（对其他元件/附件的要求相应增加） 。而两电平 1500 V 系统将大大降低设计和控制的复杂性，并减小最终产品的尺寸。

● 混合型光伏逆变器

免费的太阳能固然很好，能够控制并利用这种免费能源则更好！混合光伏逆变器是一种新的产品系列，通常用于住宅。它将一个额外的 DC-DC 转换器耦合在光伏逆变器的母线上。这个额外的 DC-DC 转换器会与电池组相连，以提供备用能源或进行能源套利。这个新系统被整合进一个与经典家用太阳能逆变器外观相似的机箱内。

系统实现

系统描述

● 系统组件和功能

组串逆变器系统的主要组件包括太阳能电池板阵列、直流链路电容器和逆变器（DC/AC 转换器）。光伏组串和直流链路之间通常使用 DC-DC 升压级。这些系统有两个主要功能 1) 将光伏组串的输出电压提升至直流链路工作电平。2) 实现 MPPT（最大功率点跟踪）功能， 以在不同的环境和光照条件下最大化光伏组串的发电量。在光伏组串达到直流链路工作电压电平的情况下， DC/DC 转换器会被旁路（通过低正向压降 VF二极管），以实现效率最大化。

● 功率和电压电平

逆变器功率级有单相和三相两种配置。单相系统的额定功率从 1 kW 以下到 10 kW（取决于地区），直流链路电压电平通常在 300 V 至 600 V 之间。三相系统的功率范围很广，从轻型商业应用中的 15 kW 到公用事业应用中的 300 kW 以上。直流链路的工作电压通常为 1100 V（住宅、商业和公用事业）或 1500 V（商业和公用事业）。

● 拓扑结构

在广泛的功率电平和电压范围内， 具有不同的功率半导体解决方案。采用 IGBT、 SiC MOSFET 或 SiC/Hybrid的功率集成模块 (PIM) 通常是较大功率的首选解决方案。要处理高母线电压系统，必须考虑多电平。请参阅 AND90142 - 解读三相功率因数校正拓扑，了解三电平和三电平 PFC 电路示例，该方法同样适用于逆变器部分。两电平系统在系统复杂性和控制复杂性方面具有优势，但对功率开关的要求更高。

● 分立器件与功率模块的对比

影响客户决策的因素有很多，但对于大功率产品，尤其是并联多个 MOSFET/IGBT 分立器件时，强烈建议采用模块解决方案。模块方案将改善不平衡电流和发热引起的长期性能，以及开关时序、布线连接等方面的问题。

关键词： 光伏逆变器 储能 拓扑结构