采用功率集成模块设计出高能效、高可靠性的太阳能逆变器
2019-08-09 16:27
随着能源和环境问题日益凸显，太阳能作为一种清洁的可再生能源迅速发展，太阳能发电设施激增，其中逆变器必不可少。安森美半导体的功率集成模块(PIM)方案提供高能效、高可靠性的逆变器设计。
太阳能逆变器、不间断电源(UPS)和储能系统(ESS)架构
在电池供电的工作状态下，UPS、ESS 和太阳能逆变器由 DC-DC 转换器和 DC-AC 逆变器组成，解决方案享有高度的相似性和通用性。如图1所示，20至200kVA 组串型太阳能逆变器含升压电感、升压模块、直流母线电容、逆变器模块、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、逆变器模块、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。
图1：太阳能逆变器/UPS/ESS 典型框图
太阳能逆变器/UPS/ESS 方案及趋势
由于对更高能效的需求，逆变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) 逆变器很受欢迎，因为3电平比2电平逆变器能效更高，电流总谐波失真(THD)更小，输入漏电流低，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变器结构，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电平逆变器拓扑
TNPC、NPC、ANPC 是3种典型的3电平逆变器拓扑，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电平逆变器拓扑
推荐的升压及逆变器模块及 PIM 选型指南
表2列出了安森美半导体目前提供的升压及逆变器模块。这些模块都集成高速 IGBT、Si/SiC二极管，实现高能效、紧凑的设计，内置热敏电阻，提供高可靠性，采用焊接/压合引脚，易于安装。
PIM_OPN |
产品说明 |
封装 |
封装选择 |
升压模块 |
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Q0PACK / 双升压/1200V, 40A IGBT 和SiC 二极管 MPPT数：2 IGBT额定电流：41A SiC二极管额定值：3X5A |
PIM Q0 |
焊接引脚 |
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Q0PACK /双升压/1200V, 40A IGBT 和Si二极管 |
PIM Q0 |
焊接引脚 |
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Q0PACK /双升压/1200V, 40A IGBT和SiC二极管 MPPT数：2 IGBT额定电流：50A SiC二极管额定值：2X10A |
PIM Q0 |
焊接引脚/压合引脚 |
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Q1PACK / 3通道升压/ 1200V IGBT和SiC二极管 MPPT数：3 IGBT额定电流：68A SiC二极管额定值：4X5A |
PIM Q1 |
压合引脚 |
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逆变模块 |
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Q0PACK / 80A TNPC 逆变器 3相逆变器最大总功率：30kVA 3相逆变器中的模块数：3
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PIM Q0 |
焊接引脚 |
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Q1PACK / 160A TNPC逆变器 3相逆变器最大总功率：6kVA 3相逆变器中的模块数：3
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PIM Q1 |
压合引脚/焊接引脚 |
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Q2PACK /160A TNPC逆变器 3相逆变器最大总功率：90kVA 3相逆变器中的模块数：3
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PIM Q2 |
焊接引脚 |
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Q1PACK / 25A TNPC 逆变器 3相逆变器最大总功率：10kVA 3相逆变器中的模块数：1 |
PIM Q1 |
压合引脚/焊接引脚 |
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Q2PACK / 1100V 系统INPC逆变器 3相逆变器最大总功率：140kVA 3相逆变器中的模块数：3
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PIM Q2 |
焊接引脚 |
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