【導讀】隨著全球能源轉型加速，太陽能逆變器技術正經(jīng)歷革命性變革。目前市場主流組串式逆變器憑借其卓越的靈活性和安裝便捷性，已成為光伏系統(tǒng)的核心選擇。安森美作為功率半導體領域的領導者，通過創(chuàng)新的器件設計和系統(tǒng)級優(yōu)化，持續(xù)推動逆變器功率密度提升與成本下降。其解決方案不僅大幅提升了能量轉換效率，更為住宅、商業(yè)和公用事業(yè)等不同應用場景提供了量身定制的技術路徑，助力光伏產業(yè)實現(xiàn)更高水平的能源利用效率。
隨著全球能源轉型加速，太陽能逆變器技術正經(jīng)歷革命性變革。目前市場主流組串式逆變器憑借其卓越的靈活性和安裝便捷性，已成為光伏系統(tǒng)的核心選擇。安森美作為功率半導體領域的領導者，通過創(chuàng)新的器件設計和系統(tǒng)級優(yōu)化，持續(xù)推動逆變器功率密度提升與成本下降。其解決方案不僅大幅提升了能量轉換效率，更為住宅、商業(yè)和公用事業(yè)等不同應用場景提供了量身定制的技術路徑，助力光伏產業(yè)實現(xiàn)更高水平的能源利用效率。
集中式太陽能逆變器通常應用于公用事業(yè)電站，具有超大容量。但受安裝地點限制，近年來其新增裝機容量已被組串式太陽能逆變器超越。微型太陽能逆變器主要用于住宅發(fā)電，同時也廣泛服務于城市基礎設施供電，例如路燈、交通信號燈等場景。
太陽能逆變器的核心是功率轉換部分，具體包含 DC-DC 升壓轉換器與 DC-AC 逆變器。隨著功率器件的持續(xù)發(fā)展，以及終端產品催生出的新需求，諸多新型拓撲結構應運而生。深入了解這些拓撲結構及功率產品，有助于更透徹地理解整個系統(tǒng)并實現(xiàn)快速設計。
框圖 - 光伏逆變器
下面的框圖展示了由安森美 (onsemi)打造的光伏逆變器解決方案。 該框圖呈現(xiàn)了光伏逆變器所采用的電源管理和功率轉換技術。安森美提供品類齊全的產品， 涵蓋分立碳化硅 (SiC) 器件、 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、 功率模塊、隔離式柵極驅動器及電源管理控制器， 助力系統(tǒng)實現(xiàn)更高的功率密度和效率。
市場信息和趨勢
碳化硅替代品
碳化硅 (SiC) 有助于提供更高的效率以推進當前技術趨勢。 與傳統(tǒng)的硅基 MOSFET/IGBT 相比，SiC 器件在高電壓場景下的優(yōu)勢尤為突出：高壓器件可簡化拓撲結構， 無需使用多電平轉換器； SiC 逆變器解決方案的損耗低于 IGBT 解決方案；同時， SiC MOSFET 的開關速度更快， 能夠縮小無源器件（尤其是電感） 的尺寸。 這兩方面因素共同提升了功率密度， 使相同尺寸和重量的器件可實現(xiàn)更高功率輸出。
不過， 實際應用中必須在成本與性能之間進行權衡， 并結合具體需求來選擇最合適的解決方案。
IGBT 和 SiC 二極管。
SiC 二極管替代方案的應用正愈發(fā)普遍， 尤其在 DC-DC 轉換環(huán)節(jié)， 原因有三：其一， 成本已降至合理水平；其二，無需對電路設計進行大幅改動；其三， 也是最重要的一點， 能顯著提升系統(tǒng)性能。 此外， 工作頻率的提高還可縮小無源器件的尺寸。
在大功率產品（約 200kW 以上） 中， IGBT 仍是首選。 一方面， IGBT 在大電流場景下表現(xiàn)優(yōu)異， 且這類系統(tǒng)對工作開關頻率的要求不高， 因此 IGBT 關斷速度慢的問題不會造成太大影響。 另一方面， 全 SiC 系統(tǒng)需要全新設計， 且成本高昂。 例如， 基于 IGBT 的轉換器驅動電路與 SiC 系統(tǒng)不兼容；由于 SiC 元件的短路耐受時間 (SCWT) 短于 IGBT，還需重新設計保護方案。
更高的母線電壓
對大功率的需求持續(xù)增長， 在同等功率條件下， 采用 1500V 組串替代 1100V 組串時， 因電流更低而能夠降低互聯(lián)成本。 為順應此類趨勢， 更高電壓等級的開關器件應運而生。 無論是選用高壓開關器件， 還是采用多電平拓撲結構， 都能顯著提升光伏逆變器的工作功率。 關于 1500V 逆變器與 1100V 逆變器的對比， 詳見后文。
表 1： 1500V（型號-2）與 1100V 光伏逆變器的對比
公用事業(yè)級解決方案
300 kW+ 光伏組串式逆變器 - 公用事業(yè)級解決方案
安森美發(fā)布了采用 F5BP 封裝的新型 Si/SiC 混合功率集成模塊 (PIM)， 可為公用事業(yè)級光伏組串式逆變器及儲能系統(tǒng)提升 15% 的功率輸出。這些模塊能夠提高功率密度與效率， 使光伏逆變器的功率從 300kW 提升至 350kW。 這意味著， 對于一座 1 吉瓦的光伏電站而言， 每小時可額外節(jié)省近 2 兆瓦的電力。 此外， 新型模塊憑借更高的功率密度與效率， 減少了所需模塊的數(shù)量， 將元件成本降低 25% 以上。
該系列模塊集成了先進元件， 包括 1050V FS7 型 IGBT 與 1200V D3 EliteSiC 二極管， 與前代產品相比， 功率損耗降低高達 8%， 開關損耗減少 15%。 這些 PIM 模塊在逆變器部分采用創(chuàng)新的 I-NPC 拓撲結構， 在升壓部分則采用飛跨電容拓撲。 此外， 它們采用先進的直接鍵合銅 (DBC) 基板， 可大幅減少雜散電感和熱阻。 這種設計將散熱器的熱阻降低了 9.3%， 有助于在高負載下維持較低的工作溫度， 進而提升整體可靠性。
圖 1： 300 kW+ 光伏組串式逆變器原理圖
圖 2： F5BP 與 F5 的熱性能
??Si/SiC 混合模塊， F5BP NXH600N105H7F5P2HG
特性
? I 型中性點鉗位三電平逆變器模塊
? 1050V 場截止 7 型 IGBT 和 1200V SiC 二極管
? 高效率、高功率密度及出色可靠性
? 低熱阻底板
? 低電感布局， 內置 NTC 熱敏電阻
優(yōu)勢
? 系統(tǒng)效率高達 99%
? 減少模塊數(shù)量，簡化 PCB 設計并降低系統(tǒng)成本
應用
? 1500 V 組串式工商業(yè)用光伏逆變器
圖 3： F5BP 封裝PIM60 112x62（壓接式）
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