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光伏逆變器組件與功率器件前途-KIA MOS管

信息來源：本站　日期：2018-01-12　

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光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功率器件的展開

光伏逆變器作為電力電子技術(shù)行業(yè)的一個(gè)重要分支，其技術(shù)進(jìn)步高度依賴于電子元器件和控制技術(shù)的展開。而隨著光伏發(fā)電微風(fēng)力發(fā)電等新能源大范圍應(yīng)用和降本錢的需求，反過來又推進(jìn)了電力電子技術(shù)的展開，近年來逆變器廠家競爭猛烈，其總體趨向是體積越來越小，重量是越來越輕，銷售價(jià)錢越來越低，那么，逆變器廠家是采取哪些方法怎樣完成的？

1、盡量減少功率器件的數(shù)量，進(jìn)步功率器件的開關(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(cuò)，這兩個(gè)貌似相互矛盾的方案，確是逆變器行業(yè)技術(shù)道路的真實(shí)寫照。為什么是這種情況，逆變器的中心技術(shù)是熱設(shè)計(jì)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、本錢，重量約占逆變器的30%左右，逆變器怎樣降本錢，怎樣減少體積，都要在它們倆身上打主意。

要想減少散熱器的體積，就必需求減少功率器件的熱損耗，目前有兩種技術(shù)道路：

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，五電對等多電平電氣拓?fù)湟约败涢_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，就必需增加功率器件的開關(guān)頻率。

1、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(dǎo)通，器件關(guān)通要靠主電路電壓反向來中止，因此說它是一種半控型器件，它的開關(guān)容量大，能抵達(dá)幾萬安培，耐壓高，但驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)很復(fù)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(diǎn)，但開關(guān)頻率不高，驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電路簡單和開關(guān)頻率高，和MOSFET相似，輸出電流大和GTR相似，第五代是參與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(dǎo)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(qiáng)度，最高耐壓可達(dá)10kV，比硅(Si)器件耐壓進(jìn)步了幾倍；二、是耐高溫，其最高結(jié)溫可達(dá)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，非常適宜用于高開關(guān)頻率系統(tǒng)，當(dāng)開關(guān)頻率大于20Khz時(shí)，碳化硅器件損耗是硅IGBT的50%。IGBT+Si二極管的損耗，隨著頻率的改動(dòng)損耗變化幅度非常大，而IGBT+SiC二極管的損耗，隨著頻率的變化改動(dòng)不是很大。特別是在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(diǎn)，限制了它的應(yīng)用范圍：

一、是電流較小，迄今為止SiCMOSFET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)能缺乏，價(jià)錢還比較貴；

三、是穩(wěn)定性和硅基IGBT相比還差一點(diǎn)；

2、軟開關(guān)與多電平技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)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(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過零時(shí)，關(guān)斷器件；當(dāng)電壓自然過零時(shí)，開通器件。從而減少了開關(guān)損耗，同時(shí)極大地處置了理性關(guān)斷，容性開通等問題。當(dāng)開關(guān)管兩端的電壓或流過開關(guān)管的電流為零時(shí)才導(dǎo)通或者關(guān)斷，這樣開關(guān)管不會(huì)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(fù)雜，可靠性降低；由于光伏逆變器要保證功率要素為1，因此軟開關(guān)技術(shù)只適宜在前級DC-DC變換中用到，后級的DC-AC變換還需求多電平技術(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(diǎn)有：電路結(jié)構(gòu)簡單，電容器數(shù)量少，占空中積小。但由于兩電平逆變器器件需求承受的電壓高，因此開關(guān)損耗較大，為了避免呈現(xiàn)上述技術(shù)難題，多電平開端呈現(xiàn)，并遭到了越來越多的關(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、七電對等。多電平換流器降低了兩電平對開關(guān)器件兩端的電壓，可經(jīng)過適合的調(diào)制方式減少開關(guān)器件的開關(guān)損耗，同時(shí)堅(jiān)持交流側(cè)較低的諧波。

兩電平與多電平優(yōu)點(diǎn)：

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(tái)階越多，波形越趨近與正弦波，三電平系統(tǒng)相關(guān)于兩電平系統(tǒng)，相當(dāng)于把開關(guān)頻率進(jìn)步一倍，五電平系統(tǒng)對兩電平系統(tǒng)，相當(dāng)于把開關(guān)頻率進(jìn)步兩倍，后面的濾波電感容量就可以減少一到兩倍。兩電平與多電平缺陷：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，主電道路路長，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(fù)雜。

綜合起來，要想把逆變器體積降低，一個(gè)途徑是運(yùn)用碳化硅材料的功率開關(guān)器件，進(jìn)步開關(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(jià)錢較貴，容量也比較小，應(yīng)用遭到限制；另一個(gè)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，還可以間接進(jìn)步開關(guān)頻率，降低電感的體積，但是這個(gè)方案元器件增加幾倍，增加了系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

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(gè)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(jià)錢也不能太貴。集成這么多優(yōu)勢的元器件到底有沒有？

這種功率器件還真有，它就是集成多個(gè)元器件的功率模塊。下圖是用于光伏逆變器的功率模塊，它結(jié)構(gòu)緊湊，將多個(gè)分立器件集成到一個(gè)模塊中，減少了器件之間連線的寄生阻抗。功率模塊驅(qū)動(dòng)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(dòng)回路的電磁干擾。模塊配置了NTC電阻，可以精準(zhǔn)地檢測模塊內(nèi)部溫度。2802.png前級DC-DC電路由2個(gè)高速IGBT、4個(gè)碳化硅二極管和一個(gè)溫度傳感器等7個(gè)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。