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逆变器——优化光伏发电的装置
发布者:admin  发布时间:2011/9/30 16:40:01  点击:6977

三、IGBT抑或MOSFET
        在太阳能转换过程中,有各种先进的功率器件可以使用,比如MOSFET、双极结晶体管(BJT)和IGBT。为取得最佳的转换效率和性能,为太阳能逆变器选择正确的功率晶体管极具挑战性,而且非常耗时。
        多年来的研究表明,IGBT可以比其它功率器件提供更多的优势,其中包括更强的电流处理能力、用电压(而不是电流)方便地实现栅极控制,以及在封装内集成超快速恢复二极管实现更快的关断时间。 IGBT是一种少数载流子器件,它的关断时间取决于少数载流子重新组合的速度,因此,随着最近工艺技术和器件结构的改进,它的开关特性已得到显著增强。
        IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构的双极型晶体管 (BJT) 。这种设计让IGBT的栅极可以像MOSFET一样,以电压代替电流来控制开关。作为一种BJT,IGBT的电流处理能力比MOSFET更高。同时,IGBT亦如BJT一样是一种少数载体元件。这意味着IGBT关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来决定。此外,IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压 (Vce(on)) 成反比(如图2所示)。
        若IGBT拥有相同的体积和技术,一个超速IGBT比一个标准速度的IGBT拥有更高的Vce(on)。然而,超速IGBT的关闭速度却比标准IGBT快得多。图2反映的这种关系,是通过控制IGBT的少数载体复合率的使用周期以影响关闭时间来实现的。
        一般说,因IGBT的电流更大(是MOSFET的两倍多),所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方面的考虑外,器件性能可由功率损耗表度,而功率损耗可分为:导通和开关两类。作为以少数载流子为基础的器件,在大电流下,IGBT具有更低的导通电压,也就意味着更低的导通损耗。但MOSFET的开关速度更快,所以开关损耗比IGBT低。因此对于要求更低开关频率且更大电流的应用来说,选择IGBT更为适合而且具备更低成本优势。另一方面,MOSFET有能力满足高频、小电流应用,特别是那些开关频率在100kHz以上的能量逆变器模块的需要。虽然从器件成本角度看,MOSFET比IGBT贵,但其处理更高开关频率的能力将简化输出滤波器的磁设计并将显著缩小输出电感体积。
        基于上述原因,更多的制造商因此倾向于在中高水平的能量逆变器中采用IGBT。而据Microsemi公司介绍,该公司生产的MOS8 IGBT在静态和动态测试(最小化的总体功率损耗)方面的优化性能可出色胜任这些应用的要求。另一方面,即便MOSFET的成本是个主要考量,但为实行一个更优方案,也应重新审视采用MOSFET的潜力,诸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具备的领先特性就非常适合太阳能逆变器的设计。
四、太阳能逆变器的智能控制
        设计太阳能逆变器时要考虑的两个关键因素是效率和谐波失真。效率可分成两个部分:太阳能的效率和逆变器的效率。逆变器的效率在很大程度上取决于设计使用的外部元件,而不是控制器;而太阳能的效率与控制器如何控制太阳能电池板阵列有关。每个太阳能电池板阵列的最大工作功率在很大程度上取决于阵列的温度和光照。MCU必须控制太阳能电池板阵列的输出负载,以使阵列的工作功率最大。由于这不是一个数学密集型算法,因此可使用低成本MCU来完成任务。
        目前,大多数太阳能逆变器只能从太阳能电池板的某个最佳位置对电池板的整体效率进行优化。这种优化方法严重制约了太阳能发电系统的效率。如果光伏系统在非最佳电压及电流水平下运行,系统的效率就非常低,白白浪费采集太阳能的良机。在光伏系统中,太阳能电池板是由多个串联组并联后形成的。就像节日灯饰一样,假如串联中的任何某个电池发生故障,就会导致整个电池组失效。此外,当有局部阴影或碎砾等遮蔽光伏系统时,这种情况也会发生。
        为了解决上述问题,目前太阳能电池板都集成了旁路二极管,从而使电流可以绕过被遮蔽的失效电池板部份。启动二极管后,它们可将电流重新路由,即改道绕过失效电池串上。这样一来,不仅浪费了受遮蔽电池板的供电潜能,而且会降低整个电池组的总电压。基于选取电池板最佳操作点的原则,逆变器必须决定是应该优化受影响电池串的电压,还是应该优化其他没受影响电池组所产生的能量。在大多数的情况下,逆变器都会选择优化没有影响的电池组,并相应地降低受影响电池组所产生的能量,甚至是完全关闭受影响电池组。所导致的结果是,太阳能光伏系统只要出现10%的遮蔽,便会使太阳能发电量下降一半。产生这一现象的原因主要是现行的光伏系统并不能与极度敏感的太阳能电池架构相匹配。因此,我们需要采用更高智能的技术和产品来开发太阳能。
        为此,美国国家半导体新推出的Solar Magic产品,能够智能管理太阳能光伏(PV)电池板电量,从而使太阳能管理更智能,更高效。一个解决方案就是所谓的“微型逆变器”,即在每块电池板上都加装逆变器。可是,影响光伏系统的关键因素是可靠性、成本和效率。先进的微型优化器技术可大幅改善太阳能发电工业的成本效益和产能。由于具备在太阳能发电的深厚知识、经验以及可靠的核心技术,美国国家半导体的Solar Magic技术可监察并优化每块电池板的发电量,并改善电池板中的电流流向。Solar Magic体现了美国国家半导体在混合信号和电源管理的先进算法领域的领先。通过采用Solar Magic技术,太阳能发电系统可挽回50%以上因输电失配或阴影遮蔽而损失的发电量。微型优化器将智能地管理每块电池板,让它们可以最佳的功率点去运行,即使串联电池组内有个别电池板发生故障也不会影响系统的整体效率。美国国家半导体于2009年推出的全新微型优化器将推动太阳能光伏技术的发展,在再生能源方面扮演举足轻重的角色。

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