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瑞彩祥云

作者:時間:2019-08-12來源:電子産品世界收藏

隨著能源和環境問題日益凸顯,太陽能作爲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(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆變器設計。

本文引用地址:/article/201908/403637.htm

、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組串型含升压电感、升压模块、直流母线电容、逆變器模块、交流滤波电感和电容,而20至50kVA的UPS/ESS含输入滤波、功率因数校正 (PFC)、整流器、直流母线电容、逆變器模块、滤波电感和电容。UPS可在断电或电源不稳定的情况下提供备用电源,广泛用于为电信和数据中心、各种工业设施等无数应用中的关键器件供电。ESS正越来越多地与可再生能源结合部署,以保障不间断的供电并促进电网的现代化。

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图1:太陽能逆變器/UPS/ESS典型框图

太陽能逆變器/UPS/ESS方案及趋势

由于对更高能效的需求,逆變器模块在典型应用中普遍采用多电平结构,尤其是3电平(NPC 或 T-NPC) 逆變器很受欢迎,因为3电平比2电平逆變器能效更高,电流总谐波失真(THD)更小,输入漏電流低,输出滤波更小更接近理想的正弦波。当然由于IGBT数、驱动器数、辅助电源数增加,物料单(BOM)成本、控制方案复杂度也会增加。安森美半导体提供PIM方案,采用不带工频变压器的多串逆變器结构,同时优化芯片组及布板以降低损耗,达到高频开关,高能效及高功率密度的整体实现。

典型的3電平逆變器拓撲

TNPC、NPC、ANPC是3种典型的3電平逆變器拓撲,TNPC实现低开关损耗,NPC过去广泛采用,而ANPC则具备低寄生电感的优势。安森美半导体提供的三电平方案涵盖20kW至220kW输出功率,采用Q0、Q1、Q2的不同封装供不同功率段的用户选择。Q0、Q1封装分别用于达25kW、40kW的升压模块和达15kW、20kW的逆变模块。Q2封装带铜基板,因而增强散热性,用于达220kW的1500V逆变模块和达90kW的1100V逆变模块。

表1:典型的3電平逆變器拓撲

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推薦的升壓及逆變器模塊及PIM選型指南

表2列出了安森美半导体目前提供的升压及逆變器模块。这些模块都集成高速IGBT、Si/SiC二极管,实现高能效、紧凑的設計,内置热敏电阻,提供高可靠性,采用焊接/压合引脚,易于安装。

表2:推荐的 升压及逆變器模块

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针对DC-DC升压模块,1个MPPT通道可支持最大约25A光伏(PV) 输入(2个PV板并联),各模块都有不同的MPPT数、IGBT额定电流、SiC二极管额定值,应根据应用所需的MPPT数和每路MPPT的功率选用适当的模块和模块数。

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,针对近期迅速增长的1500V光伏电站需求,安森美半导体还将推出1500V 三电平逆變器和升压模块,其1000V IGBT晶圆与市场主流的1200V晶圆相比,有较薄的衬底区,因此导通电阻更小,损耗明显降低。针对单相逆變器,安森美半导体将推出采用H6.5拓扑的模块,与广泛应用的H桥拓扑相比,大大降低共模电流以满足无隔离变压器并网的安规要求。考虑到未来家用增加电池储能的需求,在晶圆选取时考虑双向功率流动,即可向电网送电,也可从电网取电存储在电池里,功率因数为1或-1时都可高效运行。

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、采用什麽拓撲,然後和應用工程師一起計算所需的模塊數量,並用仿真軟件計算損耗和最高結溫。

实用設計示例

图2是一台60kW太陽能逆變器产品電路图。以1100V三相逆變器为例,红色框图所示为1个直流升压模块,用于将较低的光伏板输入电压提升到较高的直流母线电容电压,蓝色框图所示为TNPC三电平逆变模块,实现直流到交流的能量转换。

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图2:太陽能逆變器電路(1100 V三相逆變器)

此外,还用到一些无源器件如电解电容、薄膜电容、共模电感、AC 滤波电感、DC 滤波电感、AC继电器等。电解电容支持直流母线电压的稳定,薄膜电容用于吸收IGBT开关时产生的尖峰电压,共模电感在共模回路中提供高阻抗,抑制共模干扰EMI、共模损耗。

若要設計1个80kW系统,假设选用4个Q0升压模块NXH80B120H2Q0SG和3个Q2Pack逆变模块NXH160T120L2Q2F2S1G,则每个MPPT的功率为:80/8 =10kW,PV电流为: 10kW/600V=16.67A,每个逆变模块的功率为:80/3=26.67kW。然后,通过仿真软件输入如下系统条件参数,计算能效并评估IGBT和二极管的结温。

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图3:80 kW系统的設計示例

仿真结果显示,该設計方案的系统能效超过98%,损耗和热性能表现佳,因此是可行的。

门极驱动電路設計考量

IGBT的导通、关断需要给cge電路充电放电。在光伏应用领域,控制信号和高压回路是需要隔离的。在布板时,应尽量将门极驱动電路放置在PIM模块附近,以减小驱动回路杂散电感,因为较高的杂散电感可能会引起门极电压振荡。在选取门极电阻值Rg时,需要在开关损耗和电压、电流应力之间进行折中。此外,設計人员需关注隔离芯片的共模瞬态抑制 (CMTI)参数。

總結

全球都在转向可再生能源如太陽能替代传统能源,以解决日益凸显的能源和环境问题。安森美半导体提供各种3电平逆變器模块和升压模块,采用优化的功率半导体器件和封装設計,在太陽能逆變器、UPS和ESS系统中提供超过98%的能效和高可靠性,并提供各种与电源模块一起使用的门极驱动器以优化系统性能,同时辅以迅速、深入的技术支持,协助客户赢得商机和拓展业务。



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