通过系统各级新技术与拓扑的应用实现光伏(PV)系统的效率提高

随着高效和高可靠性光伏(PV)系统市场需求的增长，设计人员正面临着许多挑战。最突出的是提高光伏逆变器的效率。如今通过系统各级新技术与拓扑的实施将有助于提高光伏整体系统效率，而其中以新的逆变器拓扑与开关技术、最大功率点跟踪和用现场编程门阵列(FPGA)技术及微逆变器SoC方案等为重点对实现提高光伏(PV)系统的效率作研讨。
为此应先对光伏逆变器系统的组成述起。应该说，PV逆变器系统通常有两个主要的组成部分：用于实施系统管理任务和控制算法的控制器，以及AC至DC转换电路。而控制器的特性取决于PV系统的类型和结构以及功能需求。
1 DC至AC转换电路实施的新逆变器拓扑技术
所有光伏系统的中心就是控制控制器。控制器的一个重要职责就是运行控制和能源管理算法，比如最大功率点跟踪(MPPT)、脉宽调制(PWM)和功率因数校正(PFC)。除了严苛的计算需求，这些算法会对电源效率产生显著影响。而DC至AC转换电路是将来自太阳能电池板的原始DC电力转换为符合公用电网的电压和电力质量要求的清洁的AC电力。该转换通过使用一套开关功率器件来完成，比如MOSFET或IGBT。在采集太阳能时，转换器的效率是至关重要的，电路效率取决于所使用的拓扑和类型以及所使用元件的工作特性（例如，半导体开关器件、磁性元件和电容器）。在逆变器电路中，这些开关和传导损耗应该通过使用高效的逆变器拓扑，连同能够运行在高频下而损耗最小的半导体开关和驱动电路来实现损耗最小化。
当今两种逆变器拓扑已经实现了更高效率，可用于并网集中式逆变器。其一是常用的高效、可靠的逆变器拓扑；其二是新型的多电平逆变器，见图1所示。
从图1可知，通过在输出端附加一个额外的开关和二极管对，使得输出电感从输入电容中解耦，可以减少高效、可靠的逆变器的损耗。图1显示了瞄准更高电压功率应用的三级集中式逆变器拓扑，该新拓扑比它的传统对应物更复杂，最重要的差异是每个开关只有50％的电压应力。这个减少意味着可以使用电压降低很多的器件，从而带来较高的效率和较低的产品成本。而且，还可以减小电磁干扰(eEMl)水平和输出滤波器的尺寸，从而降低总体系统成本。
2 碳化硅(SiC-siliconcarbide)功率晶体管应用于开关技术
2.1 新型碳化硅(SiC-)功率晶体管的应用
SiC（碳化硅）功率器件的呈现，它的引入为提高可再生能源系统逆变器的可靠性与效能开拓了新途径，以至于许多太阳能设备制造商纷纷开始转向这一技术的应用。当前，着眼于创建用于风能和太阳能电厂的固态电力变压器和大功率逆变器。在电源中使用基于SiC的功率晶体管，可将效率从最高80％的范围提高到最低90％的范围。已有报告称基于SiC的太阳能逆变器的效率达到了99％。值此对SiC（碳化硅）功率器件在太阳能系统逆变器电路中应用并以1200V SiC肖特基二极管用在太阳能系统逆变器电路中以取代DC链升压电路所使用硅(Si)PIN设计为例作说明。
众所周知，太阳能板收集太阳能能量，将其转换为正向DC电压。该电压随太阳能板上接受的太阳光的光强而变化。利用高频下的升压式转换器开关，该电压可以提升至一个固定的DC电压。SiC肖特基二极管可以消除升压二极管的开关损耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的导通损耗。这将显著提高升压电路的效率（参见图2 SiC肖特基二极管在太阳能系统逆变器电路中应用示意图所示）。然后当一个逆变器将固定DC电压变成固定频率的AC电压时，SiC肖特基二极管可以消除这部分电路中的续流二极管的开关损耗，同时可以降低IGBT导通损耗，逆变器效率也就随之显著提高了。图2中，左边的电路显示采用传统Si PiN二极管、带缓冲电路（虚线框）的复杂的逆变升压电路，而右边的电路则显示了采用SiC二极管的升压电路（见图2右图的园形所示），没有恢复电流就无需缓冲电路，使逆变器电路变得更加有效简单。
其10A 600V SiC肖特基与10A SI等效元件的Vf与If器件特性的对比，SiC器件的温度是独立的，而且没有反向恢复电流。
上述基于碳化硅二极管（SiC肖特基）逆变器典型的平均效率接近96％。利用一个更加有效的系统，太阳能板提供的能量可以更有效地转换为可用电能。采用SiC器件，逆变器的平均效率有可能提高到97.5％。这相当于减少了25％的逆变器损耗。考虑到太阳能系统至少需要工作30年，即意味着在节约能源方面有相当大的改进，通过降低温度，系统也将具备更高的可靠性。
基于SiC的功率晶体管的较高开关频率超出了许多基于微控制器的PWM电路的性能。如今，还可应用基于FPGA~PWM电路，以应对所需要的较高频率，而且由于具备可编程的特性，允许相同的控制电路用于基于硅和SiC的功率晶体管。
2.2 应用具有最小功率损耗的功率开关器件是趋势
新款1200伏Z-Rec™碳化硅肖特基二极管系列能够以更低的成本和更高的性能实现功率转换应用。Z-Rec碳化硅肖特基二极管反向恢复特性为达到降低50%硅二极管的开关损耗。他们还具有一致的切换性能穿越整个温度范围，从而简化了电路设计，减少了需要复杂的热管理。如果可以配合新型1200V碳化硅功率MOSFET，这些碳化硅肖特基二极管实施所有碳化硅型电力电子电路相比传统的硅二极管和IGBTs的开关频率要高出4倍。这使得减少尺寸，复杂性和成本逆变电路，实现极高的系统。
应用具有最小损耗的各种功率开关器件，使开关系统设计能够达到新的效率和功率密度水平。最小功率损耗不仅可以节能，而且增强了系统可靠性，使得系统更紧凑和更便宜。例如，600VCoolMOSC6器件具有高压超级结技术，传导损耗和开关损耗极低。超级结MOSFET具有很低的输入电容并允许在数百kHz范围内进行高频运作，在高输出功率下具有可接受的传导损耗。