采用安森美半导体功率集成模块设计太阳能逆变器
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。
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。
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。
表2：推荐的 升压及逆变器模块
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。
对于1100v最大直流母线的应用，需根据应用所需的逆变器功率等级选用相应的3电平dc-ac逆变器模块。对于较小功率的逆变器需求，如10kva，安森美半导体提供把a、b、c三相集中到1个q1封装的三合一方案。
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 三电平逆变器和升压模块，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。针对单相逆变器，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。
在选择pim时，首先应知晓应用需求，如额定功率和电压、是否需要升压模块、是采用3相还是单相、采用什么拓扑，然后和应用工程师一起计算所需的模块数量，并用仿真软件计算损耗和最高结温。
实用设计示例
图2是一台60kw太阳能逆变器产品电路图。以1100v三相逆变器为例，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。
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。
若要设计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。
仿真结果显示，该设计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。
门极驱动电路设计考量
igbt的导通、关断需要给cge电路充电放电。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，应尽量将门极驱动电路放置在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，设计人员需关注隔离芯片的共模瞬态抑制 （cmti）参数。
总结
全球都在转向可再生能源如太阳能替代传统能源，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电平逆变器模块和升压模块，采用优化的功率半导体器件和封装设计，在太阳能逆变器、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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表2：推荐的 升压及逆变器模块
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。
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igbt的导通、关断需要给cge电路充电放电。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，应尽量将门极驱动电路放置在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，设计人员需关注隔离芯片的共模瞬态抑制 （cmti）参数。
总结
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