拆解安森美核心光伏逆变器解决方案-电子发烧友网

太阳能逆变器种类丰富，可按类型(集中式、组串式、微型)或终端应用场景(住宅、商业、公用事业)进行划分。目前，组串式逆变器因具备灵活性高、易于安装的特点而应用最为广泛。随着功率器件的不断迭代升级，单台逆变器的功率水平与功率密度持续提升，而单价和尺寸却不断下降，这使其成为太阳能逆变器市场的主流产品。

集中式太阳能逆变器通常应用于公用事业电站，具有超大容量。但受安装地点限制，近年来其新增装机容量已被组串式太阳能逆变器超越。微型太阳能逆变器主要用于住宅发电，同时也广泛服务于城市基础设施供电，例如路灯、交通信号灯等场景。

太阳能逆变器的核心是功率转换部分，具体包含 DC-DC 升压转换器与 DC-AC 逆变器。随着功率器件的持续发展，以及终端产品催生出的新需求，诸多新型拓扑结构应运而生。深入了解这些拓扑结构及功率产品，有助于更透彻地理解整个系统并实现快速设计。

框图 - 光伏逆变器

下面的框图展示了由安森美 (onsemi)打造的光伏逆变器解决方案。该框图呈现了光伏逆变器所采用的电源管理和功率转换技术。安森美提供品类齐全的产品，涵盖分立碳化硅 (SiC) 器件、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、功率模块、隔离式栅极驱动器及电源管理控制器，助力系统实现更高的功率密度和效率。

市场信息和趋势

碳化硅替代品

碳化硅 (SiC) 有助于提供更高的效率以推进当前技术趋势。与传统的硅基 MOSFET/IGBT 相比，SiC 器件在高电压场景下的优势尤为突出：高压器件可简化拓扑结构，无需使用多电平转换器; SiC 逆变器解决方案的损耗低于 IGBT 解决方案;同时， SiC MOSFET 的开关速度更快，能够缩小无源器件(尤其是电感) 的尺寸。这两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实现更高功率输出。

不过，实际应用中必须在成本与性能之间进行权衡，并结合具体需求来选择最合适的解决方案。

IGBT 和 SiC 二极管

SiC 二极管替代方案的应用正愈发普遍，尤其在 DC-DC 转换环节，原因有三：其一，成本已降至合理水平;其二，无需对电路设计进行大幅改动;其三，也是最重要的一点，能显著提升系统性能。此外，工作频率的提高还可缩小无源器件的尺寸。

在大功率产品(约 200kW 以上) 中， IGBT 仍是首选。一方面， IGBT 在大电流场景下表现优异，且这类系统对工作开关频率的要求不高，因此 IGBT 关断速度慢的问题不会造成太大影响。另一方面，全 SiC 系统需要全新设计，且成本高昂。例如，基于 IGBT 的转换器驱动电路与 SiC 系统不兼容;由于 SiC 元件的短路耐受时间 (SCWT) 短于 IGBT，还需重新设计保护方案。

更高的母线电压

对大功率的需求持续增长，在同等功率条件下，采用 1500V 组串替代 1100V 组串时，因电流更低而能够降低互联成本。为顺应此类趋势，更高电压等级的开关器件应运而生。无论是选用高压开关器件，还是采用多电平拓扑结构，都能显著提升光伏逆变器的工作功率。关于 1500V 逆变器与 1100V 逆变器的对比，详见后文。

表 1： 1500V(型号-2)与 1100V 光伏逆变器的对比

公用事业级解决方案

300 kW+ 光伏组串式逆变器 - 公用事业级解决方案

安森美发布了采用 F5BP 封装的新型 Si/SiC 混合功率集成模块 (PIM)，可为公用事业级光伏组串式逆变器及储能系统提升 15% 的功率输出。这些模块能够提高功率密度与效率，使光伏逆变器的功率从 300kW 提升至 350kW。这意味着，对于一座 1 吉瓦的光伏电站而言，每小时可额外节省近 2 兆瓦的电力。此外，新型模块凭借更高的功率密度与效率，减少了所需模块的数量，将元件成本降低 25% 以上。

该系列模块集成了先进元件，包括 1050V FS7 型 IGBT 与 1200V D3 EliteSiC 二极管，与前代产品相比，功率损耗降低高达 8%，开关损耗减少 15%。这些 PIM 模块在逆变器部分采用创新的 I-NPC 拓扑结构，在升压部分则采用飞跨电容拓扑。此外，它们采用先进的直接键合铜 (DBC) 基板，可大幅减少杂散电感和热阻。这种设计将散热器的热阻降低了 9.3%，有助于在高负载下维持较低的工作温度，进而提升整体可靠性。