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采用功率集成模塊設計出高能效、高可靠性的太陽能逆變器


作者:    時間:2019/8/12 22:49:58  來源:   
隨著能源和環境問題日益凸顯,太陽能作為一種清潔的可再生能源迅速發展,太陽能發電設施激增,其中逆變器必不可少。安森美半導體的功率集成模塊(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆變器設計。

  

太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)和儲能系統(ESS)架構

在電池供電的工作狀態下,UPS、ESS和太陽能逆變器由DC-DC轉換器和DC-AC逆變器組成,解決方案享有高度的相似性和通用性。如圖1所示,20至200kVA組串型太陽能逆變器含升壓電感、升壓模塊、直流母線電容、逆變器模塊、交流濾波電感和電容,而20至50kVA的UPS/ESS含輸入濾波、功率因數校正 (PFC)、整流器、直流母線電容、逆變器模塊、濾波電感和電容。UPS可在斷電或電源不穩定的情況下提供備用電源,廣泛用于為電信和數據中心、各種工業設施等無數應用中的關鍵器件供電。ESS正越來越多地與可再生能源結合部署,以保障不間斷的供電并促進電網的現代化。

 

圖1:太陽能逆變器/UPS/ESS典型框圖

 

 

太陽能逆變器/UPS/ESS方案及趨勢

由于對更高能效的需求,逆變器模塊在典型應用中普遍采用多電平結構,尤其是3電平(NPC 或 T-NPC) 逆變器很受歡迎,因為3電平比2電平逆變器能效更高,電流總諧波失真(THD)更小,輸入漏電流低,輸出濾波更小更接近理想的正弦波。當然由于IGBT數、驅動器數、輔助電源數增加,物料單(BOM)成本、控制方案復雜度也會增加。安森美半導體提供PIM方案,采用不帶工頻變壓器的多串逆變器結構,同時優化芯片組及布板以降低損耗,達到高頻開關,高能效及高功率密度的整體實現。

 

典型的3電平逆變器拓撲

TNPC、NPC、ANPC是3種典型的3電平逆變器拓撲,TNPC實現低開關損耗,NPC過去廣泛采用,而ANPC則具備低寄生電感的優勢。安森美半導體提供的三電平方案涵蓋20kW至220kW輸出功率,采用Q0、Q1、Q2的不同封裝供不同功率段的用戶選擇。Q0、Q1封裝分別用于達25kW、40kW的升壓模塊和達15kW、20kW的逆變模塊。Q2封裝帶銅基板,因而增強散熱性,用于達220kW的1500V逆變模塊和達90kW的1100V逆變模塊。

 

表1:典型的3電平逆變器拓撲

 

推薦的升壓及逆變器模塊及PIM選型指南

表2列出了安森美半導體目前提供的升壓及逆變器模塊。這些模塊都集成高速IGBT、Si/SiC二極管,實現高能效、緊湊的設計,內置熱敏電阻,提供高可靠性,采用焊接/壓合引腳,易于安裝。

 

PIM_OPN 

產品說明

 封裝

封裝選擇

升壓模塊

 NXH80B120H2Q0SG  

Q0PACK / 雙升壓/1200V, 

40A IGBT 和SiC 二極管

MPPT數:2

IGBT額定電流:41A

SiC二極管額定值:3X5A

 PIM Q0 

焊接引腳

 NXH80B120L2Q0SG  

Q0PACK /雙升壓/1200V, 

40A IGBT 和Si二極管

 PIM Q0 

焊接引腳

 NXH100B120H3Q0SG/PG

Q0PACK /雙升壓/1200V, 

40A IGBT和SiC二極管

MPPT數:2

IGBT額定電流:50A

SiC二極管額定值:2X10A

 PIM Q0 

焊接引腳/壓合引腳  

 NXH240B120H3Q1PG

Q1PACK / 3通道升壓/

1200V IGBT和SiC二極管

MPPT數:3

IGBT額定電流:68A

SiC二極管額定值:4X5A

 PIM Q1 

壓合引腳

逆變模塊

 NXH80T120L2Q0S2G

 Q0PACK / 80A TNPC 逆變器

3相逆變器最大總功率:30kVA

3相逆變器中的模塊數:3

 

 PIM Q0

焊接引腳

NXH160T120L2Q1PG/SG

 Q1PACK / 160A TNPC逆變器

3相逆變器最大總功率:6kVA

3相逆變器中的模塊數:3

 

 PIM Q1 

壓合引腳/焊接引腳

 NXH160T120L2Q2F2SG

 Q2PACK /160A TNPC逆變器

3相逆變器最大總功率:90kVA

3相逆變器中的模塊數:3

 

 PIM Q2

焊接引腳

NXH25T120L2Q1PG

Q1PACK / 25A TNPC 逆變器

3相逆變器最大總功率:10kVA

3相逆變器中的模塊數:1

PIM Q1

壓合引腳/焊接引腳

 NXH450N65L4Q2F2SG

 Q2PACK / 1100V 系統INPC逆變器

3相逆變器最大總功率:140kVA

3相逆變器中的模塊數:3

 

 PIM Q2 

焊接引腳

 

表2:推薦的 升壓及逆變器模塊

 

針對DC-DC升壓模塊,1個MPPT通道可支持最大約25A光伏(PV) 輸入(2個PV板并聯),各模塊都有不同的MPPT數、IGBT額定電流、SiC二極管額定值,應根據應用所需的MPPT數和每路MPPT的功率選用適當的模塊和模塊數。

 

對于1100V最大直流母線的應用,需根據應用所需的逆變器功率等級選用相應的3電平DC-AC逆變器模塊。對于較小功率的逆變器需求,如10kVA,安森美半導體提供把a、b、c三相集中到1個Q1封裝的三合一方案。

 

此外,針對近期迅速增長的1500V光伏電站需求,安森美半導體還將推出1500V 三電平逆變器和升壓模塊,其1000V IGBT晶圓與市場主流的1200V晶圓相比,有較薄的襯底區,因此導通電阻更小,損耗明顯降低。針對單相逆變器,安森美半導體將推出采用H6.5拓撲的模塊,與廣泛應用的H橋拓撲相比,大大降低共模電流以滿足無隔離變壓器并網的安規要求??紤]到未來家用增加電池儲能的需求,在晶圓選取時考慮雙向功率流動,即可向電網送電,也可從電網取電存儲在電池里,功率因數為1或-1時都可高效運行。

 

在選擇PIM時,首先應知曉應用需求,如額定功率和電壓、是否需要升壓模塊、是采用3相還是單相、采用什么拓撲,然后和應用工程師一起計算所需的模塊數量,并用仿真軟件計算損耗和最高結溫。

 

實用設計示例

圖2是一臺60kW太陽能逆變器產品電路圖。以1100V三相逆變器為例,紅色框圖所示為1個直流升壓模塊,用于將較低的光伏板輸入電壓提升到較高的直流母線電容電壓,藍色框圖所示為TNPC三電平逆變模塊,實現直流到交流的能量轉換。

 

圖2:太陽能逆變器電路(1100 V三相逆變器)

 

此外,還用到一些無源器件如電解電容、薄膜電容、共模電感、AC 濾波電感、DC 濾波電感、AC繼電器等。電解電容支持直流母線電壓的穩定,薄膜電容用于吸收IGBT開關時產生的尖峰電壓,共模電感在共?;芈分刑峁└咦杩?,抑制共模干擾EMI、共模損耗。

 

若要設計1個80kW系統,假設選用4個Q0升壓模塊NXH80B120H2Q0SG和3個Q2Pack逆變模塊NXH160T120L2Q2F2S1G,則每個MPPT的功率為:80/8 =10kW,PV電流為: 10kW/600V=16.67A,每個逆變模塊的功率為:80/3=26.67kW。然后,通過仿真軟件輸入如下系統條件參數,計算能效并評估IGBT和二極管的結溫。

 

圖3:80 kW系統的設計示例

 

仿真結果顯示,該設計方案的系統能效超過98%,損耗和熱性能表現佳,因此是可行的。

 

門極驅動電路設計考量

IGBT的導通、關斷需要給cge電路充電放電。在光伏應用領域,控制信號和高壓回路是需要隔離的。在布板時,應盡量將門極驅動電路放置在PIM模塊附近,以減小驅動回路雜散電感,因為較高的雜散電感可能會引起門極電壓振蕩。在選取門極電阻值Rg時,需要在開關損耗和電壓、電流應力之間進行折中。此外,設計人員需關注隔離芯片的共模瞬態抑制 (CMTI)參數。

 

總結

全球都在轉向可再生能源如太陽能替代傳統能源,以解決日益凸顯的能源和環境問題。安森美半導體提供各種3電平逆變器模塊和升壓模塊,采用優化的功率半導體器件和封裝設計,在太陽能逆變器、UPS和ESS系統中提供超過98%的能效和高可靠性,并提供各種與電源模塊一起使用的門極驅動器以優化系統性能,同時輔以迅速、深入的技術支持,協助客戶贏得商機和拓展業務。

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