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ag88环亚娱乐保证太阳能逆变器功率和可靠性的办法

2018-09-24 14:59

  保证太阳能逆变器功率和可靠性的办法

  作者:Jon Harper

  I.导言/摘要

  因为对可再生能源的需求,太阳能逆变器 (光电逆变器) 的商场正在不断添加。而这些逆变器需求极高的功率和牢靠性。本文对这些逆变器中选用的功率电路进行了调查,并引荐了针对开关和整流器材的最佳挑选。

  光电逆变器的一般结构如图1所示,有三种不同的逆变器可供挑选。太阳光照射在经过串联方法衔接的太阳能模块上,每一个模块都包含了一组串联的太阳能电池 (Solar Cell)单元。太阳能模块发生的直流 (DC) 电压在几百伏的数量级,详细数值依据模块阵列的光照条件、电池的温度及串联模块的数量而定。

  这类逆变器的首要功用是把输入的 DC电压改换为一安稳的值。该功用经过升压改换器来完成,并需求升压开关和升压二极管。

  在榜首种结构中,升压级之后是一个阻隔的全桥改换器。全桥变压器的作用是供给阻隔。输出上的第二个全桥改换器是用来从榜首级的全桥改换器的直流DC改换成沟通 (AC) 电压。其输出再经由额定的双触点继电器开关衔接到AC电网网络之前被滤波,意图是在毛病事情中供给安全阻隔及在夜间与供电电网阻隔。

  第二种结构对错阻隔计划。其间,AC沟通电压由升压级输出的DC电压直接发生。

  第三种结构运用功率开关和功率二极管的创新式拓扑结构,把升压和AC沟通发生部分的功用整合在一个专用拓扑中。
 

   图1:太阳能逆变器体系原理示意图

  虽然太阳能电池板的改换功率十分低,让逆变器的功率尽可能挨近100% 却十分重要。在德国,装置在朝南屋顶上的3kW串联模块估计每年可发电2550 kWh。若逆变器功率从95% 添加到 96%,每年便能够多发电25kWh。而运用额定的太阳能模块发生这25kWh的费用与添加一个逆变器恰当。因为功率从95% 进步到 96% 不会使到逆变器的本钱加倍,故对更高效的逆变器进行出资是必定的挑选。对新式规划而言,以最具本钱效益地进步逆变器功率是要害的规划原则。

至于逆变器的牢靠性和本钱则是别的两个规划原则。更高的功率能够下降负载周期上的温度动摇,然后进步牢靠性,因而,这些原则实际上是相关联的。模块的运用也会进步牢靠性。

  图1所示的一切拓扑都需求快速改换的功率开关。升压级和全桥改换级需求快速改换二极管。此外,专门为低频 (100Hz) 改换而优化的开关对这些拓扑也很有用途。关于任何特定的硅技能,针对快速改换优化的开关比针对低频改换运用优化的开关具有更高的导通损耗。

  II.用于升压级的开关和二极管

  升压级一般规划为接连电流形式改换器。依据逆变器所选用的阵列中太阳能模块的数量,来选者运用600V仍是1200V的器材。

  功率开关的两个挑选是MOSFET和 IGBT。一般来说,MOSFET比IGBT能够作业在更高的开关频率下。此外,还有必要一直考虑体二极管的影响:在升压级的情况下并没有什么问题,因为正常作业形式下体二极管不导通。MOSFET的导通损耗可依据导通阻抗RDS(ON)来核算,关于给定的MOSFET系列,这与有用裸片面积成比例关系。当额定电压从600V 改变到1200V时,MOSFET的传导损耗会大大添加,因而,即便额定RDS(ON) 恰当,1200V的 MOSFET也不可用或是价格太高。

  关于额定600V的升压开关,可选用超结MOSFET。对高频开关运用,这种技能具有最佳的导通损耗。现在市道上有选用TO-220封装、RDS(ON) 值低于100毫欧的MOSFET和选用TO-247封装、RDS(ON) 值低于50毫欧的MOSFET。

  关于需求1200V功率开关的太阳能逆变器,IGBT是恰当的挑选。较先进的IGBT技能,比方NPT Trench 和 NPT Field Stop,都针对下降导通损耗做了优化,但价值是较高的开关损耗,这使得它们不太合适于高频下的升压运用。

  飞兆半导体在旧有NPT平面技能的基础上开发了一种能够进步高开关频率的升压电路功率的器材FGL40N120AND,具有43uJ/A的EOFF ,比较选用更先进技能器材的EOFF为80uJ/A,但要取得这种功能却十分困难。FGL40N120AND器材的缺陷在于饱满压降VCE(SAT) (3.0V 相关于125oC的 2.1V) 较高,不过它在高升压开关频率下开关损耗很低的长处已足以补偿这一切。该器材还集成了反并联二极管。在正常升压作业下,该二极管不会导通。但是,在发动期间或瞬变情况下,升压电路有可能被唆使进入作业形式,这时该反并联二极管就会导通。因为IGBT自身没有固有的体二极管,故需求这种共封装的二极管来确保牢靠的作业。

  对升压二极管,需求Stealth? 或碳硅二极管这样的快速康复二极管。碳硅二极管具有很低的正向电压和损耗。不过现在它们的价格都很昂扬。

  在挑选升压二极管时,有必要考虑到反向康复电流 (或碳硅二极管的结电容) 对升压开关的影响,因为这会导致额定的损耗。在这里,新推出的Stealth II 二极管 FFP08S60S能够供给更高的功能。当VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us,且外壳温度为100oC时,核算得出的开关损耗低于FFP08S60S的参数205mJ。而选用ISL9R860P2 Stealth 二极管,这个值则达225mJ。故此举也进步了逆变器在高开关频率下的功率。

  III.用于桥接和专用级的开关和二极管

  滤波之后,输出桥发生一个50Hz的正弦电压及电流信号。一种常见的完成计划是选用规范全桥结构 (图2)。图中若左上方和右下方的开关导通,则在左右终端之间加载一个正电压;右上方和左下方的开关导通,则在左右终端之间加载一个负电压。

  关于这种运用,在某一时段只要一个开关导通。一个开关可被切换到PWM高频下,另一开关则在50Hz低频下。ag88环亚娱乐!因为自举电路依赖于低端器材的改换,故低端器材被切换到PWM高频下,而高端器材被切换到50Hz低频下。
 

   图2:MOSFET全桥

  这运用选用了600V的功率开关,故600V超结MOSFET十分合适这个高速的开关器材。因为这些开关器材在开关导通时会接受其它器材的悉数反向康复电流,因而快速康复超结器材如600V FCH47N60F是十分抱负的挑选。它的RDS(ON) 为73毫欧,比较其它同类的快速康复器材其导通损耗很低。当这种器材在50Hz下进行改换时,无需运用快速康复特性。这些器材具有超卓的dv/dt和di/dt特性,比较规范超结MOSFET可进步体系的牢靠性。

  另一个值得讨论的挑选是选用FGH30N60LSD器材。它是一颗饱满电压VCE(SAT) 只要1.1V的30A/600V IGBT。其关断损耗EOFF十分高,达10mJ ,故只合适于低频改换。一个50毫欧的MOSFET在作业温度下导通阻抗RDS(ON) 为100毫欧。因而在11A时,具有和IGBT的VCE(SAT) 相同的VDS。因为这种IGBT根据较旧的击穿技能,VCE(SAT) 随温度的改变不大。因而,这种IGBT可下降输出桥中的整体损耗,然后进步逆变器的整体功率。

  FGH30N60LSD IGBT在每半周期从一种功率改换技能切换到另一种专用拓扑的做法也十分有用。IGBT在这里被用作拓扑开关。在较快速的改换时则运用惯例及快速康复超结器材。

  关于1200V的专用拓扑及全桥结构,前面说到的FGL40N120AND对错常合适于新式高频太阳能逆变器的开关。当专用技能需求二极管时,Stealth II、Hyperfast? II 二极管及碳硅二极管是很好的解决计划。

  (修改:xiaoyao)

  

   太阳能逆变器光伏