实现高效可靠的太阳能逆变器设计

　　容量：它是太阳能逆变器额定功率的另一个说法。该数值在200W（面板集成模块）到数百千瓦之间。容量越大，逆变器的体积越大、价格越高。太阳能逆变器的成本以美元/瓦来衡量。就一个恰到好处的设计而言，确定容量时，必须把浪涌、过载以及连续工作模式等情况考虑在内。

　　效率：每个太阳能逆变器都有其对效率（输出功率/输入功率）的要求，例如，一个数千瓦系统的典型效率可达95%。基于太阳能阵列的能量转换效率相对低（约在15%左右）的事实，所以，就以最小的太阳能面板获得最多的输出功率来说，高效逆变器具有非常重要的意义。

　　电池能力：在逆变器的DC侧加装电池组起着能量缓存器的作用，它能平抑DC电压可能的波动并把负载还未使用的能量存储起来。电池能力的一个优点是当天黑时仍可持续提供能量。任何加装了电池的太阳能逆变器都需要电池控制器，虽然在连接电网的情况一般用不到。

　　输出功率质量：源于逆变器内在的开关模式特性，其AC输出波形并非理想的正弦波，且通常还包含由脉宽调制（PWM）引入的宽范围高频谐波。对许多电子负载来说，这些谐波有害无益；当并网时，这些谐波成为污染源。尽管有这些谐波，太阳能逆变器依然能够对负载较差的功率因数进行补偿，并弱化诸如电压骤降和波动等电源质量问题。一款设计精良的太阳能逆变器应输出近似正弦波并减少引入到电网内不期望的低频成分。

　　MPPT效能：太阳能面板的输出将遵循电流-电压曲线图中不同光照条件下的一系列特性曲线，因此，为获得最大功率输出，需对电压进行动态调节。最大功率点跟踪手法类似获取内燃机最佳效率曲线的作法，其中，扭矩和速度对应电流和电压。过去10年间，开发出若干算法，其中最流行的是通过扰动电压和观察输出的方法。

　　通信特性：对一个数千瓦的太阳能逆变器来说，构建一个用于监控和数据存储的通信连接很有必要。归功于当今这样一个数字时代，作为一种通用控制器的微处理器(MCU)很适合该功能。

　　安全性：有两个含义：1.当并网时，需仔细观察波形并在掉电时，立即切断连接；反孤岛保护对此很关键。2.维护和维修时，工作人员应没安全风险。

　　并网逆变器需要在不降低功率等级的前提下，紧密匹配电网的相位和频率。在并网时，逆变器能够把负载用不了的电能回送至电网且无须借助体积庞大、成本高昂的能量存储器件。基于安全考虑，并网的逆变器将在掉电时自动切断且一般没有用于存储能量的电池组。同时，离网太阳能逆变器工作在独立模式，无需与外部AC电网同步。所以，它不需要任何反孤岛保护措施。

　　
　　另外，对于逆变器的并网设计和离网设计，两者间的区别还在于输出级。然而，在并网连接系统中，大多数情况下，DC/AC级由600V的功率MOSFET和/或IGBT所构建，离网系统则使用为电池级馈送的低压输出，主要的应用包括太阳能街灯照明或使用48V电压轨输出的太阳能辅助电信系统。在48V系统中，则一般选择100V的功率MOSFET来构建全桥逆变器。下文也将会对太阳能逆变器中的MOSFET和IGBT的使用进行详细介绍。

　　系统效率可能成为了太阳能逆变器最重要的设计考虑因素，是不同竞争厂商之间优劣的区分要素。一台20kWp安装设备每天平均输出电能为190kWh，若其效率从95%提高到96%，如果强制入网电价 (feed-in tariff)按0.40美元/ kWh，并以10年寿命周期来计算，其所节省约为逆变器自身成本的一半，因此效率的重要性不言而喻。

　　一旦输出功率确定了，则最高转换效率和最低功率器件损耗讲的就是一回事。考虑到光伏面板把太阳能转换为电能的效率很低（一般只有15%），则能量逆变器的效率在减小太阳能面板面积和整个系统的体积方面就很有意义。除此原因外，器件的功率损耗将在硅裸片上产生热从而导致温升，因此，必须有效散热。这些损耗导致的热过力是高可靠设计必须竭力应付的且必须要用到散热器。众所周知，散热器个头大、价格高；另外，其采用诸如风扇等器件使散热器的可靠性不高。换句话，尽可能小的功率损耗不仅节省能量，还可以提升系统可靠性，使系统更紧凑并降低了成本。

　　由于现有逆变器的第一次故障平均时间约是5年，因此太阳能逆变器成为造成光伏系统诸多故障的主要原因。为提升逆变器设计的可靠性，需考虑如下因素并采取相应措施，包括：低损耗功率器件和开关电路、更新的封装技术、对电解电容器的替代、过设计、器件的冗余以及对常见失效模式和原因等的深入分析。

　　Microsemi(美高森美)半导体的应用工程师经理钱昶指出，电和热方面的过载是导致失效的两个原因，选择能效更高的器件和电路会降低逆变器自身的功耗并进而降低功率器件的结温且同时降低了热过力；过设计是使电和热应力远远低于器件所能承受水平的另一条途径；而冗余设计使器件交替工作，从而分摊降低了每一器件所受的压力。