mos逆變器-太陽能逆變器的原理及架構(gòu)詳解分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-03-14
發(fā)展逆變器技術(shù)是太陽能應(yīng)用提出的要求，本文介紹了太陽能逆變器的原理及架構(gòu)，著重介紹了IGBT和MOSFET技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能控制是發(fā)展太陽能逆變器技術(shù)的關(guān)鍵。
通過太陽能光伏技術(shù)將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能是現(xiàn)在市面上最有效也是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醇夹g(shù)?，F(xiàn)在，普通太陽能光伏系統(tǒng)都是由許多緊密相連的太陽能電池板組成。這些電池板先分組串聯(lián)，再將不同的串聯(lián)電池組并聯(lián)起來形成電池陣列。
目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國(guó)西北地區(qū)使用較多的太陽能戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同（如12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ等），很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。光伏發(fā)電最終將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用成熟的市場(chǎng)模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。
太陽能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓來驅(qū)動(dòng)家用電器、照明及電機(jī)工具等交流負(fù)載，是整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。逆變器有兩個(gè)基本功能：一方面是為完成DC/AC轉(zhuǎn)換的電流連接到電網(wǎng)，另一方面是找出最佳的操作點(diǎn)以優(yōu)化太陽能光伏系統(tǒng)的效率。對(duì)于特定的太陽光輻射、溫度及電池類型，太陽能光伏系統(tǒng)都相應(yīng)有唯一的最佳電壓及電流，從而使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生最大的能量。因此，在太陽能應(yīng)用中對(duì)逆變器必須滿足以下基本要求：
1.要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。
2.要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱、過載保護(hù)等。
3.要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如１２Ｖ蓄電池，其端電壓可在１０Ｖ～１６Ｖ之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。
4.在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。
通常把交流電能變換成直流電能的過程稱之為整流，相控整流是最常見的交-直流變換過程；而把直流電能變換成交流電能的過程稱之為逆變，它是整流的逆過程。在逆變電路中，按照負(fù)載性質(zhì)的不同，逆變分為有源逆變和無源逆變。如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電能經(jīng)過直-交流變換，逆變成與交流電源同頻率的交流電返送到電網(wǎng)上去，稱作有源逆變。相應(yīng)的裝置稱為有源逆變器，控制角大于90°的相控整流器為常見的有源逆變器。而把直流電能變換為交流電能，直接向非電源負(fù)載供電的電路，稱之為無源逆變電路，又稱為變頻器。
逆變器類型有它勵(lì)逆變器、自勵(lì)逆變器、脈寬調(diào)制（PWM）型逆變器。其中他勵(lì)逆變器需要外部交流電壓源，給晶閘管提供整流電壓。他勵(lì)逆變器主要應(yīng)用在大功率并網(wǎng)情況下；對(duì)于功率低于1MW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要采用自勵(lì)逆變器方式。自勵(lì)逆變器不需要外部交流電壓源，整流電壓由逆變器的一部分儲(chǔ)能元件（比如電容）來提供或者通過增加待關(guān)斷整流閥（像MOSFET 或IGBT）的電阻值來實(shí)現(xiàn)。輸出電壓被脈沖調(diào)制的自勵(lì)逆變器被稱為脈沖逆變器。這種逆變器通過增加周期內(nèi)脈沖的切換次數(shù)，來降低電壓、電流的諧波含量；諧波含量與脈沖切換次數(shù)呈正比。目前，并網(wǎng)逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標(biāo)，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻較大的受控電流源。
目前，太陽能逆變器已有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric（Sunways專利）逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器。太陽能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個(gè)開關(guān)的全橋拓?fù)?，如圖1所示。
在圖1中， Q1 和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT，Q2 和Q4 則是低壓側(cè) IGBT。該逆變器用于在其目標(biāo)市場(chǎng)的頻率和電壓條件下，產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計(jì)量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng)，此項(xiàng)應(yīng)用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓力可注入電網(wǎng)中。 實(shí)質(zhì)上，為保持諧波分量低和功率損耗最小，逆變器的高壓端IGBT采用脈寬調(diào)制（PWM），低壓端IGBT則以60Hz頻率變換電流方向。通過讓高壓端 IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM頻率和50/60Hz調(diào)制方案，輸出電感L1和L2在實(shí)例中可以做得很小，并且照樣能對(duì)諧波分量進(jìn)行高效濾波。與快速和標(biāo)準(zhǔn)速度的平面器件相比，開關(guān)速度為20kHz的超快速溝道型IGBT可以提供最低的總導(dǎo)通損耗和開關(guān)功率損耗。同樣，對(duì)于低壓端開關(guān)電路，工作在60Hz的標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT可以提供最低的功率損耗。
這個(gè)設(shè)計(jì)中的開關(guān)技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：通過允許高壓端和低壓端IGBT獨(dú)立優(yōu)化實(shí)現(xiàn)很高的效率；高壓端、同封裝的軟恢復(fù)二極管沒有續(xù)流時(shí)間，從而消除了不必要的開關(guān)損耗；低壓端IGBT的開關(guān)頻率只有60Hz，因此導(dǎo)通損耗是這些IGBT的主要因素；沒有交叉導(dǎo)通，因?yàn)槿魏螘r(shí)間點(diǎn)的開關(guān)都發(fā)生在對(duì)角的兩個(gè)器件上（Q1和Q4或Q2和Q3）；不存在總線直通的可能性，因?yàn)闃虻耐贿吷系腎GBT永遠(yuǎn)不可能以互補(bǔ)方式開關(guān)；跨接低壓端IGBT的同封裝、超快速、軟恢復(fù)二極管經(jīng)過優(yōu)化可以使續(xù)流和反向恢復(fù)期間的損耗達(dá)到最小。
1.直流電可以通過震蕩電路變?yōu)榻涣麟?/span>
2.得到的交流電再通過線圈升壓（這時(shí)得到的是方形波的交流電）
3.對(duì)得到的交流電進(jìn)行整流得到正弦波
AC-DC就比較簡(jiǎn)單了我們知道二極管有單向?qū)щ娦钥梢杂枚O管的這一特性連成一個(gè)電橋讓一端始終是流入的另一端始終是流出的這就得到了電壓正弦變化的直流電 如果需要平滑的直流電還需要進(jìn)行整流 簡(jiǎn)單的方法就是連接一個(gè)電容
Inverter是一種DCtoAC的變壓器，它其實(shí)與Adapter是一種電壓逆變的過程。Adapter是將市電電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的12V直流輸出，而Inverter是將 Adapter輸出的12V直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的高壓交流電；兩個(gè)部分同樣都采用了目前用得比較多的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。其核心部分都是一個(gè)PWM集 成控制器，Adapter用的是UC3842，I
nverter則采用TL5001芯片。TL5001的工作電壓范圍3.6～40V，其內(nèi)部設(shè)有一個(gè)誤差放大器，一個(gè)調(diào)節(jié)器、振蕩器、有死區(qū)控制的PWM發(fā)生器、低壓保護(hù)回路及短路保護(hù)回路等。
以下將對(duì)Inverter的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：
輸入接口部分：
輸 入部分有3個(gè)信號(hào)，12V直流輸入VIN、工作使能電壓ENB及Panel電流控制信號(hào)DIM。VIN由Adapter提供，ENB電壓由主板上的MCU 提供，其值為0或3V，當(dāng)ENB=0時(shí)，Inverter不工作，而ENB=3V時(shí)，Inverter處于正常工作狀態(tài)；而DIM電壓由主板提供，其變化 范圍在0～5V之間，將不同的DIM值反饋給PWM控制器反饋端，Inverter向負(fù)載提供的電流也將不同，DIM值越小，Inverter輸出的電流 就越大。
電壓?jiǎn)?dòng)回路：
ENB為高電平時(shí)，輸出高壓去點(diǎn)亮Panel的背光燈燈管。
PWM控制器：
有以下幾個(gè)功能組成：內(nèi)部參考電壓、誤差放大器、振蕩器和PWM、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、輸出晶體管。
直流變換：
由MOS開關(guān)管和儲(chǔ)能電感組成電壓變換電路，輸入的脈沖經(jīng)過推挽放大器放大后驅(qū)動(dòng)MOS管做開關(guān)動(dòng)作，使得直流電壓對(duì)電感進(jìn)行充放電，這樣電感的另一端就能得到交流電壓。
LC振蕩及輸出回路：
保證燈管啟動(dòng)需要的1600V電壓，并在燈管啟動(dòng)以后將電壓降至800V。
輸出電壓反饋：
當(dāng)負(fù)載工作時(shí)，反饋采樣電壓，起到穩(wěn)定Inventer電壓輸出的作用。
其實(shí)你可以想象一下了.都有那些電子元件需要正負(fù)極,電阻,電感一般不需要.二極管一般壞的可能就是被擊穿只要電壓正常一般是沒有問題的,三極管的話是不會(huì)導(dǎo)通的.穩(wěn)壓管如果正負(fù)接反的話就會(huì)損壞了,但一般有的電路加了保護(hù)就是利用二極管的單向?qū)▉肀Ｗo(hù).在就是電容了,電容里有正負(fù)之分的就是電解電容了, 如果正負(fù)接反嚴(yán)重的話其外殼發(fā)生爆裂.
主要元件二極管.開關(guān)管振蕩變壓器.取樣.調(diào)寬管.還有振蕩回路電阻電容等參開關(guān)電路原理.
逆變器的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管（BJT），功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），絕緣柵晶體管（IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（GTO）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，這是因?yàn)镸OSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特大容量（100KVA以 上）系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件
大件：場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT、變壓器、電容、二極管、比較器以及3525之類的主控。交直交逆變還有整流濾波。
功率大小和精度，關(guān)系著電路的復(fù)雜程度。
可以看一下手機(jī)充電器，這就是一個(gè)小開關(guān)電源！
IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為新型電力半導(dǎo)體場(chǎng)控自關(guān)斷器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡(jiǎn)單，耐高壓，承受電流大等特性，在各種電力變換中獲得極廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓 降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。
