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 編者按：光伏逆變器作為電力電子技術(shù)行業(yè)的一個重要分支，其技術(shù)進步高度依賴于電子元器件和控制技術(shù)的發(fā)展。而隨著光伏發(fā)電和風力發(fā)電等新能源大規(guī)模應用和降成本的需要，反過來又推進了電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來，逆變器廠家競爭激烈，其總體趨勢是體積越來越小，重量是越來越輕，銷售價格越來越低，那么，逆變器廠家是采取哪些方法怎么實現(xiàn)的?

1、盡量減少功率器件的數(shù)量，提高功率器件的開關(guān)頻率，

2、盡量增加功率器件的數(shù)量，降低功率器件的開關(guān)頻率。

你沒有看錯，這兩個貌似相互矛盾的方案，確是逆變器行業(yè)技術(shù)路線的真實寫照。為什么是這種情況，逆變器的核心技術(shù)是熱設計技術(shù)和輸出電流諧波控制技術(shù)，功率器件的開關(guān)頻率越高，輸出波形就越好，但器件的損耗也越高，逆變器體積最大，最貴的兩種器件是散熱器和電感，它們的體積、成本，重量約占逆變器的30%左右，逆變器怎么降成本，怎么減少體積，都要在它們倆身上打主意。

要想減少散熱器的體積，就必須要減少功率器件的熱損耗，目前有兩種技術(shù)路線：一是采用碳化硅材料的元器件，降低功率器件的內(nèi)阻，二是采用三電平，五電平等多電平電氣拓撲以及軟開關(guān)技術(shù)，降低功率器件兩端的電壓，降低功率器件的開關(guān)頻率。電感是控制逆變器輸出波形最關(guān)鍵的硬件，要想減少電感的體積，就必須增加功率器件的開關(guān)頻率。 功率開關(guān)管的歷史：

第一代是可控硅，也稱晶閘管(SCR)，它只能控制器件導通，器件關(guān)通要靠主電路電壓反向來進行，因此說它是一種半控型器件，它的開關(guān)容量大，能達到幾萬安培，耐壓高，但驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)很復雜，器件的開關(guān)頻率低，損耗也較大。第二代是GTR，是電流控制型雙極雙結(jié)電力電子器件，它具有開關(guān)損耗小和阻斷電壓高的優(yōu)點，但開關(guān)頻率不高，驅(qū)動電流較大。第三代是MOSFET，它是一種電壓控制型器件，控制功率極低，開關(guān)頻率高，但輸出特性不好。第四代是絕緣柵晶體管(IGBT)，它是一種用MOS柵控制的晶體管，它集中了GTR和MOSFET的優(yōu)點，驅(qū)動電路簡單和開關(guān)頻率高，和MOSFET相似，輸出電流大和GTR相似，第五代是加入SIC碳化硅材料的MOSFET和IGBT以及碳化硅肖特基二極管。

碳化硅(SiC)器件屬于寬禁帶半導體組別，與常用硅(Si)器件相比，有許多優(yōu)勢：一是耐高壓，碳化硅器件具備更高的擊穿電場強度，最高耐壓可達10kV，比硅(Si)器件耐壓提高了幾倍;二是耐高溫，其最高結(jié)溫可達600度，而最新英飛凌的PrimePACK第四代IGBT，其最高結(jié)溫是175度;三是碳化硅器件開關(guān)損耗非常低，非常適合用于高開關(guān)頻率系統(tǒng)，當開關(guān)頻率大于20Khz時，碳化硅器件損耗是硅IGBT的50%。IGBT+Si二極管的損耗，隨著頻率的改變損耗變化幅度非常大，而IGBT+SiC二極管的損耗，隨著頻率的變化改變不是很大。尤其是在16K到48K，其總損耗幾乎是線性的，增加幅度較小。

但是碳化硅也有缺點，限制了它的應用范圍，一是電流較小，迄今為止SiC MOSFET和肖特基二極管的最大額定電流小于100A，大功率逆變器用不上;二是產(chǎn)能不足，價格還比較貴;三是穩(wěn)定性和硅基IGBT相比還差一點。

軟開關(guān)與多電平技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)利用諧振原理，使開關(guān)器件中的電流或者電壓按正弦或者準正弦規(guī)律變化，當電流自然過零時，關(guān)斷器件;當電壓自然過零時，開通器件。從而減少了開關(guān)損耗，同時極大地解決了感性關(guān)斷，容性開通等問題。當開關(guān)管兩端的電壓或流過開關(guān)管的電流為零時才導通或者關(guān)斷，這樣開關(guān)管不會存在開關(guān)損耗。

軟開關(guān)諧振變換器是由電感、電容組成諧振電路，增加了很多器件，系統(tǒng)變得復雜，可靠性降低;由于光伏逆變器要保證功率因素為1，因此軟開關(guān)技術(shù)只適合在前級DC-DC變換中用到，后級的DC-AC變換還需要多電平技術(shù)。

按照輸出電壓的電平數(shù)，逆變器可以分為兩電平和多電平。兩電平換流器的主要優(yōu)點有：電路結(jié)構(gòu)簡單，電容器數(shù)量少，占地面積小。但由于兩電平逆變器器件需要承受的電壓高，因此開關(guān)損耗較大，為了避免出現(xiàn)上述技術(shù)難題，多電平開始出現(xiàn)，并受到了越來越多的關(guān)注。所謂多電平是指輸出電壓波形中的電平數(shù)等于或者大于3的換流器，如三電平、五電平、七電平等。多電平換流器降低了兩電平對開關(guān)器件兩端的電壓，可通過合適的調(diào)制方式減少開關(guān)器件的開關(guān)損耗，同時保持交流側(cè)較低的諧波。

兩電平與多電平優(yōu)點：1)損耗對比，兩電平中主開關(guān)承受電壓為為全部母線電壓，三電平為直流側(cè)電壓一半，五電平為直流側(cè)電壓四分之一，電壓的降低，帶來損耗的降低和可靠性增加。2)輸出諧波：輸出電平臺階越多，波形越趨近與正弦波，三電平系統(tǒng)相對于兩電平系統(tǒng)，相當于把開關(guān)頻率提高一倍，五電平系統(tǒng)對兩電平系統(tǒng)，相當于把開關(guān)頻率提高兩倍，后面的濾波電感容量就可以減少一到兩倍。

兩電平與多電平缺點：三電平、五電平和兩電平器件數(shù)量相比，要多3倍到5倍，隨著器件的增加，主電路線路長，系統(tǒng)雜散電感增加，系統(tǒng)的可靠性降低，控制算法也變得很復雜。

綜合起來，要想把逆變器體積降低，一個途徑是使用碳化硅材料的功率開關(guān)器件，提高開關(guān)頻率，降低電感的體積，但碳化硅目前技術(shù)還不是非常成熟，價格較貴，容量也比較小，應用受到限制;另一個途徑是采用軟開關(guān)和多電平技術(shù)，可以降低器件的電壓，減少損耗，從而減少散熱器的體積，還可以間接提高開關(guān)頻率，降低電感的體積，但是這個方案元器件增加幾倍，增加了系統(tǒng)的風險。

有沒有一種器件，既有碳化硅材料的低內(nèi)阻，還有三電平結(jié)構(gòu)的低電壓，整個系統(tǒng)的元器件還不能多，還要好安裝，好控制，可靠性也要好，而且價格也不能太貴。集成這么多優(yōu)勢的元器件到底有沒有?

你不是在做夢，這種功率器件還真有，它就是集成多個元器件的功率模塊。下圖是Vincotech公司推出用于光伏逆變器的功率模塊，它結(jié)構(gòu)緊湊，將多個分立器件集成到一個模塊中，減少了器件之間連線的寄生阻抗。功率模塊驅(qū)動回路與主功率回路從不同的管腳分別引出，減少了IGBT主功率回路對驅(qū)動回路的電磁干擾。模塊配置了NTC電阻，可以精準地檢測模塊內(nèi)部溫度。 前級DC-DC電路 由2個高速IGBT、4個碳化硅二極管和一個溫度傳感器等7個元器件組成，包含雙路boost模塊，額定電流為50A，可以支持25kW的MPPT回路。 古瑞瓦特推出的Growatt 30-50KTL3-S系列，50-60HE系列，全部采用最先進的功率模塊，結(jié)構(gòu)緊湊，運行穩(wěn)定得到了客戶的高度評價。

原標題：光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)與功率器件的發(fā)展