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采用功率集成模块设计出高能效、高可靠性的太阳能逆变器

本文作者：安森美点击： 2019-08-09 16:10

前言：

随着能源和环境问题日益凸显，太阳能作为一种清洁的可再生能源迅速发展，太阳能发电设施激增，其中逆变器必不可少。安森美半导体的功率集成模块(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆变器设计。

太阳能逆变器、不间断电源(UPS)和储能系统(ESS)架构
在电池供电的工作状态下，UPS、ESS和太阳能逆变器由DC-DC转换器和DC-AC逆变器组成，解决方案享有高度的相似性和通用性。如图1所示，20至200kVA组串型太阳能逆变器含升压电感、升压模块、直流母线电容、逆变器模块、交流滤波电感和电容，而20至50kVA的UPS/ESS含输入滤波、功率因数校正 (PFC)、整流器、直流母线电容、逆变器模块、滤波电感和电容。UPS可在断电或电源不稳定的情况下提供备用电源，广泛用于为电信和数据中心、各种工业设施等无数应用中的关键器件供电。ESS正越来越多地与可再生能源结合部署，以保障不间断的供电并促进电网的现代化。

图1：太阳能逆变器/UPS/ESS典型框图

太阳能逆变器/UPS/ESS方案及趋势
由于对更高能效的需求，逆变器模块在典型应用中普遍采用多电平结构，尤其是3电平(NPC 或 T-NPC) 逆变器很受欢迎，因为3电平比2电平逆变器能效更高，电流总谐波失真(THD)更小，输入漏电流低，输出滤波更小更接近理想的正弦波。当然由于IGBT数、驱动器数、辅助电源数增加，物料单(BOM)成本、控制方案复杂度也会增加。安森美半导体提供PIM方案，采用不带工频变压器的多串逆变器结构，同时优化芯片组及布板以降低损耗，达到高频开关，高能效及高功率密度的整体实现。

典型的3电平逆变器拓扑
TNPC、NPC、ANPC是3种典型的3电平逆变器拓扑，TNPC实现低开关损耗，NPC过去广泛采用，而ANPC则具备低寄生电感的优势。安森美半导体提供的三电平方案涵盖20kW至220kW输出功率，采用Q0、Q1、Q2的不同封装供不同功率段的用户选择。Q0、Q1封装分别用于达25kW、40kW的升压模块和达15kW、20kW的逆变模块。Q2封装带铜基板，因而增强散热性，用于达220kW的1500V逆变模块和达90kW的1100V逆变模块。

表1：典型的3电平逆变器拓扑

推荐的升压及逆变器模块及PIM选型指南
表2列出了安森美半导体目前提供的升压及逆变器模块。这些模块都集成高速IGBT、Si/SiC二极管，实现高能效、紧凑的设计，内置热敏电阻，提供高可靠性，采用焊接/压合引脚，易于安装。

PIM_OPN	产品说明	封装	封装选择
升压模块
NXH80B120H2Q0SG	Q0PACK / 双升压/1200V, 40A IGBT 和SiC 二极管 MPPT数：2 IGBT额定电流：41A SiC二极管额定值：3X5A	PIM Q0	焊接引脚
NXH80B120L2Q0SG	Q0PACK /双升压/1200V, 40A IGBT 和Si二极管	PIM Q0	焊接引脚
NXH100B120H3Q0SG/PG	Q0PACK /双升压/1200V, 40A IGBT和SiC二极管 MPPT数：2 IGBT额定电流：50A SiC二极管额定值：2X10A	PIM Q0	焊接引脚/压合引脚
NXH240B120H3Q1PG	Q1PACK / 3通道升压/ 1200V IGBT和SiC二极管 MPPT数：3 IGBT额定电流：68A SiC二极管额定值：4X5A	PIM Q1	压合引脚
逆变模块
NXH80T120L2Q0S2G	Q0PACK / 80A TNPC 逆变器 3相逆变器最大总功率：30kVA 3相逆变器中的模块数：3	PIM Q0	焊接引脚
NXH160T120L2Q1PG/SG	Q1PACK / 160A TNPC逆变器 3相逆变器最大总功率：6kVA 3相逆变器中的模块数：3	PIM Q1	压合引脚/焊接引脚
NXH160T120L2Q2F2SG	Q2PACK /160A TNPC逆变器 3相逆变器最大总功率：90kVA 3相逆变器中的模块数：3	PIM Q2	焊接引脚
NXH25T120L2Q1PG	Q1PACK / 25A TNPC 逆变器 3相逆变器最大总功率：10kVA 3相逆变器中的模块数：1	PIM Q1	压合引脚/焊接引脚
NXH450N65L4Q2F2SG	Q2PACK / 1100V 系统INPC逆变器 3相逆变器最大总功率：140kVA 3相逆变器中的模块数：3	PIM Q2	焊接引脚

表2：推荐的升压及逆变器模块

针对DC-DC升压模块，1个MPPT通道可支持最大约25A光伏(PV) 输入(2个PV板并联)，各模块都有不同的MPPT数、IGBT额定电流、SiC二极管额定值，应根据应用所需的MPPT数和每路MPPT的功率选用适当的模块和模块数。

对于1100V最大直流母线的应用，需根据应用所需的逆变器功率等级选用相应的3电平DC-AC逆变器模块。对于较小功率的逆变器需求，如10kVA，安森美半导体提供把a、b、c三相集中到1个Q1封装的三合一方案。

此外，针对近期迅速增长的1500V光伏电站需求，安森美半导体还将推出1500V 三电平逆变器和升压模块，其1000V IGBT晶圆与市场主流的1200V晶圆相比，有较薄的衬底区，因此导通电阻更小，损耗明显降低。针对单相逆变器，安森美半导体将推出采用H6.5拓扑的模块，与广泛应用的H桥拓扑相比，大大降低共模电流以满足无隔离变压器并网的安规要求。考虑到未来家用增加电池储能的需求，在晶圆选取时考虑双向功率流动，即可向电网送电，也可从电网取电存储在电池里，功率因数为1或-1时都可高效运行。

在选择PIM时，首先应知晓应用需求，如额定功率和电压、是否需要升压模块、是采用3相还是单相、采用什么拓扑，然后和应用工程师一起计算所需的模块数量，并用仿真软件计算损耗和最高结温。

实用设计示例
图2是一台60kW太阳能逆变器产品电路图。以1100V三相逆变器为例，红色框图所示为1个直流升压模块，用于将较低的光伏板输入电压提升到较高的直流母线电容电压，蓝色框图所示为TNPC三电平逆变模块，实现直流到交流的能量转换。

图2：太阳能逆变器电路(1100 V三相逆变器)

此外，还用到一些无源器件如电解电容、薄膜电容、共模电感、AC 滤波电感、DC 滤波电感、AC继电器等。电解电容支持直流母线电压的稳定，薄膜电容用于吸收IGBT开关时产生的尖峰电压，共模电感在共模回路中提供高阻抗，抑制共模干扰EMI、共模损耗。

若要设计1个80kW系统，假设选用4个Q0升压模块NXH80B120H2Q0SG和3个Q2Pack逆变模块NXH160T120L2Q2F2S1G，则每个MPPT的功率为：80/8 =10kW，PV电流为： 10kW/600V=16.67A，每个逆变模块的功率为：80/3=26.67kW。然后，通过仿真软件输入如下系统条件参数，计算能效并评估IGBT和二极管的结温。

图3：80 kW系统的设计示例

仿真结果显示，该设计方案的系统能效超过98%，损耗和热性能表现佳，因此是可行的。

门极驱动电路设计考量
IGBT的导通、关断需要给cge电路充电放电。在光伏应用领域，控制信号和高压回路是需要隔离的。在布板时，应尽量将门极驱动电路放置在PIM模块附近，以减小驱动回路杂散电感，因为较高的杂散电感可能会引起门极电压振荡。在选取门极电阻值Rg时，需要在开关损耗和电压、电流应力之间进行折中。此外，设计人员需关注隔离芯片的共模瞬态抑制 (CMTI)参数。

总结
全球都在转向可再生能源如太阳能替代传统能源，以解决日益凸显的能源和环境问题。安森美半导体提供各种3电平逆变器模块和升压模块，采用优化的功率半导体器件和封装设计，在太阳能逆变器、UPS和ESS系统中提供超过98%的能效和高可靠性，并提供各种与电源模块一起使用的门极驱动器以优化系统性能，同时辅以迅速、深入的技术支持，协助客户赢得商机和拓展业务。

关于安森美半导体
安森美半导体(ON Semiconductor，美国纳斯达克上市代号：ON)致力于推动高能效电子的创新，使客户能够减少全球的能源使用。安森美半导体领先于供应基于半导体的方案，提供全面的高能效电源管理、模拟、传感器、逻辑、时序、互通互联、分立、系统单芯片(SoC)及定制器件阵容。公司的产品帮助工程师解决他们在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、医疗、航空及国防应用的独特设计挑战。公司运营敏锐、可靠、世界一流的供应链及品质项目，一套强有力的守法和道德规范计划，及在北美、欧洲和亚太地区之关键市场运营包括制造厂、销售办事处及设计中心在内的业务网络。更多信息请访问http://www.onsemi.cn。

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