太阳能逆变器的优化应用及如何设计？

近年来光伏发电在各国的普及和应用取得可观的进展。作为电能转换的关键环节，电力电子变换器对于光伏系统的整体性能与可靠性占有举足轻重的地位。电力电子的设计对于太阳能发电系统的整体效能具有举足轻重的地位。最高的转换效率永远是系统设计工程师考虑的首要因素。由于光电转换板的效率很低，通常不超过百分之二十，因此太阳能逆变器的转换效率对于减小太阳能板总面积和系统总体积就至关重要。除此之外，在电能转换过程的功率损耗直接导致了半导体晶圆的温度升高，所以要通过散热器有效耗散这部分损耗能量。器件工作时的温升和热应力是影响可靠性的重要参数，换言之，减少功率变换损耗不仅节约了能源，还提高了系统可靠性，缩减了系统体积和成本。

选择合适的功率器件

用于广义的太阳能逆变器(含输入直流斩波级)的功率半导体器件主要有MOSFET， IGBT， Super Junction MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。与此相对的IGBT则开关速度较慢，但具有较高的电流密度，从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结MOSFET介于两者之间，是一种性能价格折中的产品，在实际设计中被广为应用。概括地说，选用哪类器件取决于成本，效率的要求并兼顾开关频率。如果要求硬开关在100千赫以上，一般只有MOSFET能够胜任。在较低频段如15千赫，如没有特殊的效率要求，则选择IGBT。在此之间的频率，则取决于客户对转换效率和成本的具体要求。系统效率和成本之间作为一对矛盾，设计工程师将根据其相应关系对照目标系统要求以确定最贴近系统要求的元件型号。

除去以上最典型的三类全控开关器件，业界还存在像碳化硅二极管和ESBT 等基于新材料和新工艺的产品。它们目前的价格还比较高，主要应用于对太阳能发电效率有特殊要求的场合。但随着生产工艺的不断进步和器件单价的下降，这类器件也将逐步变为主流产品，甚至替代上述的某一类器件。

选择合适的驱动控制方案

太阳能有助于降低发电相关成本。这个行业最热门的话题之一就是电源转换效率。为了提高0.1%的效率，太阳能逆变器制造商往往需要投入大量的时间。考虑到更高的效率和增加的能源之间的关联性，亦即更快的光伏(PV)系统的投资回报速度，那么确定逆变器将太阳能电池板的直流电转换为家用交流电的能力将至关重要。微逆变器和太阳能优化器是太阳能市场中两种快速发展的架构。

为最大化PV面板性能，微逆变器的前端是DC/DC级，其中数字控制器执行最大功率点跟踪(MPPT)。最常见的拓扑结构是非隔离式DC/DC升压转换器。对于单个太阳能电池板，轨道或直流环节通常为36V;对于此电压范围，可以使用标准硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)进行DC/DC转换。

鉴于减小尺寸是一个优先事项(因此微逆变器和功率优化器将适合光伏系统的后端)，太阳能逆变器制造商正在采用氮化镓(GaN)技术，因为它能够以更高频率切换。较高频率减小了微逆变器和太阳能优化器应用中的大型磁性元件的尺寸。

DC/AC级或次级通常使用H桥拓扑;对于微逆变器，轨道电压约为400V。目前，栅极驱动器可以使用多种隔离技术来隔离控制器与电源开关，并可同时驱动高频开关。这些要求由信号隔离的安全标准驱动。

德州仪器(TI)的UCC21220基本隔离栅极驱动器通过提供高侧和低侧之间的传播延迟和延迟匹配的领先性能，改善了这些集成优势。这些定时特性减少了与开关相关的损耗，因为它更快导通，同时还最小化了体二极管的导通时间，从而提高了效率。这些参数也较少依赖于VDD，因此，可以放宽系统其余部分的电压容差设计余量。

更高的效率不仅意味着更少的能源浪费，也意味着更小的散热器、更少的冷却需求以及更紧凑和更具成本效益的设计。使用正确的高压栅极驱动器可帮您实现更高效率，同时降低空间受限的微逆变器或太阳能优化器设计中的系统成本。