太阳能逆变器
概述
光伏市场需要直流/直流转换器将太阳能输入电压调整到直流链路或电池水平，还需要直流/交流转换器（逆变器）将太阳能输送到公共电网。
市场上有几种主要的太阳能逆变器结构类型：
- 用于住宅区的单相组串逆变器，功率为几千伏安。见图 1。
- 用于住宅、商业和公用事业规模系统的三相多串逆变器。大多数逆变器由一个输入 DC/DC 升压转换器、一个或多个最大功率点 (MPP) 跟踪器和一个输出级逆变器组成。100 至 200 千伏安以下为典型水平。见图 2。
- 微型逆变器由一块太阳能电池板和一个逆变器组成。这里不像组串逆变器那样有高压直流电源。这里的可靠性更高，因为如果一个或两个微型逆变器出现故障，其余的逆变器将继续发电。见图 1。
- 直流电源优化器介于组串逆变器和微型逆变器之间，典型电压为 400V。见图 1。
图 1：集中（或组串）逆变器、微型逆变器和功率优化器。(资料来源：solartribune.com）
图 2：三相多串逆变器（示意图由赛米控提供）
逆变器设计选项：硅与宽带隙
尺寸、重量和功率（SWaP）至关重要
WBG 半导体材料能使电力电子元件更小、更快、更可靠，且效率高于硅基元件。这些性能可在广泛的电源应用中减轻重量、减小体积、降低生命周期成本。
与硅器件相比，WBG 器件具有更低的固有漏电流和更高的工作温度。这是因为 WBG 器件的带隙 (Eg) 比硅器件高。
由于 WBG 漂移区域比硅小 10 倍，因此 WBG 比硅具有更高的击穿电压和更低的功率损耗。这使得 WBG 半导管与硅相比，在一定面积上的 Rds(on) 更低。
与硅相比，WBG 的运行速度更快，开关损耗更低，因此在设计架构时可以采用更小的磁性元件和散热器，从而减小尺寸、重量和总 BOM 成本。
WBG 在太阳能逆变器方面的优势
在太阳能设计中，直流电到交流电的转换是通过逆变器完成的，这种逆变器的效率极高（超过 97%），而且使用寿命很长（有时超过 25 年）。为了达到这些性能参数，需要采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）WBG 功率晶体管。
使用 WBG 设备设计太阳能逆变器将改进结构，消除直流-交流电源逆变器中高达 90% 的功率损耗。
太阳能逆变器可能位于恶劣的高温环境中。WBG 较高的工作温度可提高这些系统的可靠性。采用 WBG 设备的太阳能逆变器由于磁性和热要求更低，因此重量也更轻。更轻、更紧凑的逆变器设计使其在安装和可能的维修过程中更容易搬运和操作。图 1 显示了基于 Si IGBT 的 50kW 设计与基于 SiC 的设计的尺寸对比。如下图 3 所示，通常体积小 60%，重量轻 10 倍。
图 3：与硅相比，碳化硅可使太阳能光伏逆变器体积更小、重量更轻、功率密度更高、系统总体成本更低。
（图片由 Wolfspeed 提供）
电源模块还是分立元件？
必须精心选择拓扑结构和组件，在成本和性能之间取得适当的平衡。无论哪种方式，组件成本都可能是一个问题，但如果我们将制造成本、生产良率、功率密度、改进的可靠性和散热性能等因素考虑在内，使用电源模块可能是一个很有吸引力的提议。
电源模块可提供经过验证的指定解决方案，而分立设计则可根据应用进行更多定制。
电源模块有可能集成更多的功能，有时只需较小的总占地面积。模块允许在紧凑的布局配置中将多个芯片靠近放置，以最大限度地提高性能和节省空间。此外，还可加入其他元件，如 SiC SBD 二极管、栅极电阻器和电容器。可提供多种标准和定制拓扑结构，包括半桥、全桥、六组和三电平等。参见上图 4，图中显示了半桥电源模块的内部结构，每个开关位置使用 5 个并联 SiC。
在低功率应用中，分立设计的成本通常较低，因为在低功率应用中，为满足电流要求而并行使用的分立器件较少。随着功率的增加，需要更多的分立器件，装配成本和潜在的低可靠性也随之增加。分立设计还能使逆变器设计中固定元件区域的电路板布局更加灵活。
图 4：Wolfspeed SiC 半桥模块显示紧凑的布局配置
结论
在太阳能发电刚刚起步的时候，逆变器往往集中在一起，功率超过 100 千瓦。到了现代，这一趋势发生了变化，运营商更倾向于使用 100 千瓦以下的成串逆变器。在所有情况下，结构都类似于一个直流/直流升压转换器，用于提高光伏电池板的电压，以及一个直流/交流逆变器，用于产生当地电网正确频率（50 赫兹/60 赫兹）的交流电压。该系统还增加了保护电路和复杂的监测/控制功能，以确保实现最高效率。
虽然为逆变器选择的拓扑结构会对效率产生影响，但主要的半导体开关器件（WBG 和硅 MOSFET、IGBT 和二极管）对于实现当今太阳能应用所需的效率至关重要。早期使用的主要材料是硅（Si），经过多年的逐步创新，这种技术已经到了几乎无法进一步提高的地步。
半导体制造商一直在探索用其他材料制造未来的开关器件。包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）在内的宽带隙（WBG）材料因其非常适合开发高效半导体器件的特性而崭露头角。
与硅基器件相比，WBG 材料具有固有的较低导通电阻，从而减少了连续导电时的静态损耗。随着开关频率的提高以减小磁性元件的尺寸，WBG 技术进一步提高了效率，因为与硅相比，栅极电荷减少了，动态损耗也降低了。
