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二、太阳能逆变器的原理及架构
通常把交流电能变换成直流电能的过程称之为整流,相控整流是最常见的交-直流变换过程;而把直流电能变换成交流电能的过程称之为逆变,它是整流的逆过程。在逆变电路中,按照负载性质的不同,逆变分为有源逆变和无源逆变。如果把该电路的交流侧接到交流电源上,把直流电能经过直-交流变换,逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电网上去,称作有源逆变。相应的装置称为有源逆变器,控制角大于90°的相控整流器为常见的有源逆变器。而把直流电能变换为交流电能,直接向非电源负载供电的电路,称之为无源逆变电路,又称为变频器。
逆变器类型有他励逆变器、自励逆变器、脉宽调制(PWM)型逆变器。其中他励逆变器需要外部交流电压源,给晶闸管提供整流电压。他励逆变器主要应用在大功率并网情况下;对于功率低于1MW的光伏发电系统,主要采用自励逆变器方式。自励逆变器不需要外部交流电压源,整流电压由逆变器的一部分储能元件(比如电容)来提供或者通过增加待关断整流阀(像MOSFET或IGBT)的电阻值来实现。输出电压被脉冲调制的自励逆变器被称为脉冲逆变器。这种逆变器通过增加周期内脉冲的切换次数,来降低电压、电流的谐波含量;谐波含量与脉冲切换次数呈正比。目前,并网逆变器的输出控制模式主要有两种:电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量,系统输出和电网电压同频同相的电压信号,整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源;电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标,系统输出和电网电压同频同相的电流信号,整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。
目前,太阳能逆变器已有多种拓扑结构,最常见的是用于单相的半桥、全桥和Heric(Sunways专利)逆变器,以及用于三相的六脉冲桥和中点钳位(NPC)逆变器。太阳能逆变器的典型架构一般采用四个开关的全桥拓扑,如图1所示。
在图1中,Q1和Q3被指定为高压侧IGBT,Q2和Q4则是低压侧IGBT。该逆变器用于在其目标市场的频率和电压条件下,产生单相位正弦电压波形。有些逆变器用于连接净计量效益电网的住宅安装,这就是其中一个目标应用市场,此项应用要求逆变器提供低谐波交流正弦电压,让力可注入电网中。实质上,为保持谐波分量低和功率损耗最小,逆变器的高压端IGBT采用脉宽调制(PWM),低压端IGBT则以60Hz频率变换电流方向。通过让高压端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM频率和50/60Hz调制方案,输出电感L1和L2在实例中可以做得很小,并且照样能对谐波分量进行高效滤波。与快速和标准速度的平面器件相比,开关速度为20kHz的超快速沟道型IGBT可以提供最低的总导通损耗和开关功率损耗。同样,对于低压端开关电路,工作在60Hz的标准速度IGBT可以提供最低的功率损耗。
这个设计中的开关技术具有如下优势:通过允许高压端和低压端IGBT独立优化实现很高的效率;高压端、同封装的软恢复二极管没有续流时间,从而消除了不必要的开关损耗;低压端IGBT的开关频率只有60Hz,因此导通损耗是这些IGBT的主要因素;没有交叉导通,因为任何时间点的开关都发生在对角的两个器件上(Q1和Q4或Q2和Q3);不存在总线直通的可能性,因为桥的同一边上的IGBT永远不可能以互补方式开关;跨接低压端IGBT的同封装、超快速、软恢复二极管经过优化可以使续流和反向恢复期间的损耗达到最小。
三、IGBT抑或MOSFET
在太阳能转换过程中,有各种先进的功率器件可以使用,比如MOSFET、双极结晶体管(BJT)和IGBT。为取得最佳的转换效率和性能,为太阳能逆变器选择正确的功率晶体管极具挑战性,而且非常耗时。
多年来的研究表明,IGBT可以比其它功率器件提供更多的优势,其中包括更强的电流处理能力、用电压(而不是电流)方便地实现栅极控制,以及在封装内集成超快速恢复二极管实现更快的关断时间。IGBT是一种少数载流子器件,它的关断时间取决于少数载流子重新组合的速度,因此,随着最近工艺技术和器件结构的改进,它的开关特性已得到显著增强。
IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构的双极型晶体管(BJT)。这种设计让IGBT的栅极可以像MOSFET一样,以电压代替电流来控制开关。作为一种BJT,IGBT的电流处理能力比MOSFET更高。同时,IGBT亦如BJT一样是一种少数载体元件。这意味着IGBT关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来决定。此外,IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压(Vce(on))成反比(如图2所示)。
以图2为例,若IGBT拥有相同的体积和技术,一个超速IGBT比一个标准速度的IGBT拥有更高的Vce(on)。然而,超速IGBT的关闭速度却比标准IGBT快得多。图2反映的这种关系,是通过控制IGBT的少数载体复合率的使用周期以影响关闭时间来实现的。
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