微型逆变器综述与英飞凌解决方案

微型逆变器（Micro-inverter）作为组件级的电力电子设备（MLPE），能够充分利用每块光伏电池板，实现组件级的监控与保护。并且由于其易于安装，保修时间长，在户用市场受到越来越多的重视。本文简单介绍了微逆的发展历程，解析了当前常见的两种微逆拓扑结构，并提供了非常有竞争力的英飞凌解决方案。针对未来最有前景的基于Cyclo拓扑的微逆，重点介绍了英飞凌的宽禁带解决方案，为下一代的微逆提供一个展望的方向。

 

 

微逆概述

 

在新能源系统构成中，除了集中式和组串式逆变器外，还有一种易于安装、配置灵活的微型逆变器（Micro-inverter）。顾名思义，微型逆变器的功率较小，因此通常只连接一块或几块太阳能电池板。作为逆变器，微逆需要将光伏板的低压直流电，转换为当地电网所用的交流电。通常一块光伏板电压在50V左右，而交流电网电压往往高达上百伏，这样高的电压/电流变比对变换器的增益有很高的要求。这时如果使用普通的非隔离PWM变换器，开关管工作的占空比会很大或者很小，变换器的效率很低，功率器件的应力也比较大。自然而然地，在变换器中引入耦合电感或者变压器，通过匝比来实现电压匹配成为在微逆中的优选方案。

 

从功能上来说，微逆需要具备快速关断(Rapid Shut Down,RSD)，最大功率点跟踪(MPPT)，逆变(Inverter)三种功能。RSD在2014年在NEC上被提出来，旨在发生火灾等灾害时快速切断光伏电池板与直流母线的连接，保证消防员的安全。MPPT是光伏行业人员都非常熟悉的，在之前的文章中也有介绍。但与传统集中式或组串式MPPT电路不同，在微逆中该功能的实现并不一定采用Boost来升压，也有使用Buck、全桥、反激等电路的，这主要与后级电路的多样性有关。

 

 

微逆的电路拓扑

 

从电路结构上而言，微型逆变器经历了从多级式到两级式，再到单级式的历程[1]。电能从光伏电池板输出到与交流电网并联，中间经过的转换级数越少，效率往往越高。多级式或者两级式微逆如图1所示，由前级DC/DC加后级DC/AC构成，前级DC/DC具备MPPT与升压功能，将电压抬升至逆变所需直流母线电压，后级DC/AC逆变并网。

 

图1.两级型微型逆变器

图2.单级型微型逆变器

 

两级式的微逆还有两种细分类型——电压源型和电流源型。电压源型控制交流侧的输出电压，前级DC/DC的输出如图3是一个稳定的直流电压，这种结构的微逆后级DC/AC工作在高频状态。电流源型的微逆主控量则是电流，其直流侧输出不再是稳定的直流，而是如图4所示这种带交流分量的“馒头波”，后级的工频极性转换电路将此馒头波分正负输出，形成并网的正弦波。这种电流源型的微逆相比于电压型微逆而言，器件的电压应力更小，结构与控制更简单，在目前主流的微逆机型中被广泛应用。

 

图3.电压源型微逆的DC输出

图4.电流源型微逆的DC输出

 

 

两级式微逆的DC/DC

 

两级式的微型逆变器前级的DC/DC考虑到电压传输比的问题，往往采用图5和图6所示的DAB、反激这样的隔离拓扑。如何优化这两种隔离拓扑的无源器件设计，如何实现软开关以减小开关损耗提高功率密度，都是微逆中重点研究的内容[2]。DAB拓扑可以有效利用变压器的漏感实现ZVS，开关频率可以达到百kHz以上，并且其器件电压应力更低，只是器件数量更多一些。反激型微逆拓扑更为简单，但是主动管的电压应力较高，如果所用变压器的漏感较大，则所需主动管的耐压可能高达电池板电压的3-4倍。如果设计在CCM模式下，一般定频工作，控制更为简单，EMC也更为友好；若是设计在BCM或者DCM模式下，一般是变频工作但能实现ZVS。当然，也有给反激电路增加额外电路来实现软开关的做法。总体来说，虽然反激电路本身比较简单常用，但其在微逆领域的应用还有不少值得研究的技术点。

 

图5.DAB型DC/DC

图6.反激型DC/DC

 

对于采用DAB的微逆拓扑，英飞凌有表1所示的解决方案。

 

表1.微逆中的DAB解决方案

 

若是采用反激电路作为DC/DC级，表2给出了英飞凌的解决方案。即将推出的150V OptiMOS 6 相比于上一代的OptiMOS 5，如图7所示Rdson降低30%以上，开关损耗也有较大的降低。既有适用于软开关的ISC0x系列，也有适用于硬开关场合的IPT02x系列。

 

表2.微逆中的反激电路解决方案

 

图7.OptiMOS 6的性能提升

 

 

两级式微逆的DC/AC电路

 

如前面所言，电压型和电流型微逆都有一个DC/AC电路，只是电流源型所需的是工频的电路而电压源型所需是高频开关。图8这种Unfolding电路结构简单，MOSFET工作在工频状态，主要损耗为导通损耗，600V-950V CoolMOS P7甚至1200V的IGBT都适用于这种场合。图9这种全桥电路是典型的电压源型逆变器，其中一个桥臂工作在工频状态，另一桥臂则高频开关以减小输出电压的谐波。最优化的设计自然是根据工作状态的不同为两桥臂选择不同的MOSFET，只是也可以从600V-950V CoolMOS P7进行选择。从拓扑也可以看出，Unfolding电路由于器件特性，对于无功补偿的能力有限；全桥逆变电路可以双向运行，自然有充足的无功补偿能力，但是需要增加额外的LCL滤波器。

 

图8.Unfolding电路

图9.全桥DC/AC电路

 

 

单级型微逆

 

单级型的微逆的结构如图2，它没有直流母线，通过高频的交-交变换，实现从低压直流到高压交流的能量传递[3]，当下被研究最多的是图10所示的周波变换器(Cyclo-converter)。由于其变换级数少，并且可以在大多数工况实现ZVS，其效率可以高达97.5%以上。但是这种拓扑多个功能都需要由一级电路里的高频开关实现，这给控制带来了挑战。并且由于周波变换器开关管的工作频率较高，如何使得大部分工况下的大部分开关管处在软开关状态，也成为当前在Cyclo微型逆变器拓扑研究中的热点[4]。

 

将谐振变换器与Cyclo变换器结合，又可以得到图11所示的谐振型Cyclo。这种拓扑除了自然的ZVS之外，还能提供开关频率、原副边移相角、桥臂内移相角等多控制自由度，为MPPT控制、功率控制以及无功补偿提供了控制上的可能。

 

图10.Cyclo Inverter

图11.谐振型Cyclo Inverter

 

对于Cyclo变换器，英飞凌有多种解决方案。传统的Si解决方案与DAB方案类似，见表3 Cyclo Inverter的传统Si解决方案。

 

表3.Cyclo Inverter的传统Si解决方案

 

英飞凌在收购了GaN System之后，拥有更齐全的GaN产品路线。GaN作为宽禁带器件，本身的扁平结构非常适合在微逆中应用，并且其开关损耗很低，几乎没有反向恢复能量，可以将微逆的开关频率推到很高，进一步减小电感、电容尺寸。特别对于交流侧的双向开关，英飞凌即将推出基于GaN的双向开关BDS，在单晶圆上实现可以进一步减小尺寸与封装成本。

图12.BDS示意

 

表4.Cyclo Inverter的GaN解决方案

 

微逆作为一种模块化组件，有很多值得研究的问题。比如市面上大多数的微逆都要求有25年的质保以匹配组件的寿命，需要去除电解电容，如何高效解耦值得研究；Cyclo Inverter多个控制自由度如何配合，能够全范围ZVS并且有效抑制抑制过零点的电压尖峰等都有大量学者和工程师在研究。英飞凌将与产业界一起推动微逆的发展与进步，在后续文章中也会针对大家感兴趣的点再进行深入讨论。