中小功率光伏逆變器用功率模塊的發(fā)展及應(yīng)用

　　完善的驅(qū)動和保護功能，靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，緊湊的封裝使pv-ipm能大大縮短客戶的開發(fā)進度，提高光伏逆變器的可靠性。圖4a)給出了使用50a/600v pv-ipm的光伏逆變器的滿載運行時的輸出波形。實驗條件：并網(wǎng)電壓為230 v/50 hz，直流側(cè)電壓udc=390v，并網(wǎng)電流thd=1.24%。

　　(a)并網(wǎng)電壓、電流波形

　　(b)斬波電路igbt vce開關(guān)波形

　　3 旨在提高效率的igbt和mosfet混合模塊

　　圖5所示為一個單相光伏逆變器的典型全橋逆變電路，為盡可能地降低igbt的損耗，有時pwm控制策略使上橋臂igbt1/igbt3的開關(guān)頻率設(shè)定為電網(wǎng)頻率(例如50hz)，而下橋臂的igbt2/igbt4則工作在較高的開關(guān)頻率下，來實現(xiàn)輸出正弦波。這樣的工作模式對全橋逆變中的4個igbt單元的性能要求是不盡相同的。因為上橋臂工作在工頻開關(guān)頻率，所以對igbt1/igbt3要求具有低的飽和壓降vce(sat)，以降低系統(tǒng)的通態(tài)損耗，同時盡量降低二極管的反向恢復(fù)損耗，要求二極管具有快的恢復(fù)時間或者采用sic二極管;因為下橋臂的igbt單元工作在高頻下，所以對igbt2/igbt4要求盡可能快的關(guān)斷速度以降低開關(guān)損耗。

　　mosfet比igbt具有更高的開關(guān)頻率，更適合于高頻運行，所以下橋臂的igbt模塊可以用mosfet來取代。 vincotech公司新推出的光伏逆變器專用模塊flowsol-bi(p896-e01)就是根據(jù)上述理念開發(fā)的光伏逆變器用igbt+mosfet混合模塊。其封裝結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路框圖如圖6所示。該模塊的boost電路是由mosfet(600v/45mω)和sic二極管組成。h橋電路上半橋由75a/600v igbt和sic二極管組成，下半橋由mosfet(600v/45mω)組成。模塊還集成了溫度檢測電阻。根據(jù)實驗結(jié)果，使用該混合型igbt+mosfet+sic二極管模塊的光伏逆變器的效率，比使用純igbt模塊的逆變器，可以提高2個百分點[1]。

　　為進一步提高光伏逆變器的效率，vincotech公司又提出了將igbt和mosfet并聯(lián)的模塊解決方案，如圖7所示。重載的時候，將開關(guān)損耗集中在mosfet上，導(dǎo)通損耗集中在igbt上;而輕載的時候，將開關(guān)和導(dǎo)通損耗都集中在mosfet上。這樣的并聯(lián)方案，發(fā)揮了mosfet和igbt各自的優(yōu)點，使效率進一步提高。使用這種igbt和mosfet并聯(lián)的模塊方案如圖8所示。

　　對于這種模塊的驅(qū)動，可以采用多種方案，如采用兩個獨立的驅(qū)動器分別驅(qū)動igbt和mosfet，或者采用一個驅(qū)動器分出兩路獨立信號分別驅(qū)動igbt和mosfet，都是可行的解決方案。

　　4 光伏逆變器用三電平功率模塊

　　在某些光伏應(yīng)用中，直流側(cè)電壓會達到1000v，如果使用兩電平電路，1200v耐壓等級的功率模塊是必需的。但是器件耐壓等級升高，往往意味著損耗可能增大，光伏逆變器效率可能降低。三電平拓撲的引入，有效解決了這些問題。二極管箝位三電平的基本拓撲如圖9a)所示，采用兩主管串聯(lián)與中點帶箝位二極管的方案，使主管耐壓可以降低一半，從而使低壓功率器件可以應(yīng)用于高壓變換器中。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比較，三電平逆變器還能減少諧波和降低系統(tǒng)損耗。

　　vincotech公司推出的基于標準三電平拓撲的模塊型號是p926-l33。根據(jù)vincotech的測試結(jié)果，針對1000v直流側(cè)電壓的光伏逆變器，如果采用二極管箝位三電平結(jié)構(gòu)拓撲，其光伏逆變器的效率高達99.2%，比普通的兩電平拓撲效率高出3個百分點。

　　上面提到的igbt+mosfet混合及并聯(lián)技術(shù)同樣可以應(yīng)用于三電平拓撲的功率模塊中。圖9b)p965f和圖9c)p969f分別給出了混合和并聯(lián)的三電平拓撲模塊示例。由于引入的mosfet內(nèi)部二極管不能承受大的無功電流，無功電流的流向成為一個問題。為解決這個問題，p965f和p969f在輸出和直流母線間增加了1200v二極管，這樣能輸出無功功率，同時也可以用作高效率的雙向逆變器，實現(xiàn)能量的反向變換，為了減少損耗，該二極管推薦使用sic二極管。同時，可見在該拓撲內(nèi)管igbt的反并聯(lián)二極管上串聯(lián)了一個高壓二極管，以防止mosfet關(guān)斷時由于寄生電容而產(chǎn)生反向的充電電流流過igbt反并聯(lián)二極管[2]。

　　圖10給出了兩種改進三電平拓撲的效率比較結(jié)果。圖10中的實線是p965f的效率曲線，即外管采用mosfet的二極管箝位三電平拓撲;虛線是p969f的效率曲線，即采用mosfet +igbt并聯(lián)技術(shù)的二極管箝位三電平拓撲。比較的條件為：輸出能力為10w，開關(guān)頻率是16khz。由圖10可見，在3kw以上時，p969f的優(yōu)勢是顯而易見的，在滿載時，p969f 比p965f效率高出約0.7%[3]。

　　5 結(jié)束語

　　著眼于提高光伏逆變器的效率和可靠性，功率模塊的發(fā)展方向在于更高的功能集成技術(shù)，更優(yōu)的igbt+mosfet混合技術(shù)和更高效的拓撲結(jié)構(gòu)。集成短路、欠壓和過溫保護的ipm使光伏逆變器的可靠性大大提高，失效率降低。igbt+mosfet混合解決方案和二極管箝位三電平拓撲方案，可以顯著提高光伏逆變器的效率。