本文闡述了太陽能光伏發電逆變器的三種主電路形式，結合光伏發電逆變器主電路結構特點，論述了用于太陽能光伏發電系統逆變器的功率半導體器件特性。

1.光伏發電逆變器主電路

太陽能電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型，太陽能光伏發電系統用逆變器的三種主電路形式如圖1所示。圖1（a）是采用工頻變壓器主電路形式，采用工頻變壓器使輸入與輸出隔離，主電路和控制電路簡單。為了追求效率，減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選得比較低，因此重量大，約占逆變器的總重量的50％左右，逆變器外形尺寸大，是最早的一種逆變器主要形式。

　　圖1：逆變器主電路圖

圖1（b）是高頻變壓器主電路形式，采用高頻變壓器使輸入與輸出隔離，體積小，重量輕。主電路分為高頻逆變和工頻逆變兩部分，比較復雜，是20世紀90年代比較流行的主電路方式。

　　圖1(b)

圖1（c）是無變壓器主電路形式，不采用變壓器進行輸入與輸出隔離，只要采取適當措施，同樣可保證主電路和控制電路運行的安全性，體積最小，重量輕，而且效率高，成本也較低。主電路包括升壓部分和采用高頻SPWM的逆變部分，比工頻變壓器主電路形式要復雜，但是適應輸入直流電壓范圍寬，有利于與太陽能電池進行匹配。盡管由于天氣等因素使太陽能電池輸出電壓發生變化，但有了升壓部分，可以保證逆變部分輸入電壓比較穩定。將成為今后主要的主電路流行方式。

　　圖1(c)

為了使無變壓器主電路形式安全運行，必須采取一定的技術措施：首先要使太陽能電池對地電壓保持穩定；其次，為了防止太陽能電池接地造成主電路損壞，應檢測太陽能電池正極和負極的接地電流（通過零相互感器），如果不平衡電流超過規定值，說明太陽能電池有可能接地，接地保護立即動作，切斷主電路輸出，停止工作。由于無變壓器主電路形式沒有變壓器對輸入與輸出隔離，因此逆變器輸入端的太陽能電池的正負極不能直接接地，輸出的單相三線制中性點接地，因太陽能電池面積大，對地有等效電容存在（正極等效電容和負極等效電容）。該等效電電容將在工作中出現充放電電流，其低頻部分有可能使供電電路中的漏電開關誤動作而造成停電，其高頻部分將通過配電線路對其它用電設備造成電磁干擾，而影響其它用電設備正常工作。對這種對地等效電容電流必須在主電路加電感L1與電容C1組成的濾波器進行抑制，特別是抑制高頻部分。而工頻部分，可以通過控制逆變器開關方式來消除。當然在太陽能電池與主電路之間，還應當設置共模濾波器，防止對太陽能電池的電磁干擾。

2.電力電子器件

用于太陽能光伏發電系統逆變器（含輸入直流斬波級）的功率半導體器件主要有MOSFET、IGBT、超結MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價格便宜并適用于大電流的應用場合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產品，在實際設計中被廣為應用。概括地說，選用哪類器件取決于成本、效率的要求并兼顧開關頻率。如果要求硬開關在100kHz以上，一般只有MOSFET能夠勝任。在較低頻段如15kHz，如沒有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于設計中對轉換效率和成本的具體要求。系統效率和成本之間作為一對矛盾，設計中將根據其相應關系對照目標系統要求確定最貼近系統要求的元件型號。表1為三種半導體開關器件的功率損耗，為了便于比較，各參數均以MOSFET情況作歸一化處理，超結MOSFET工藝目前沒有超過900V的器件。

除去以上最典型的三類全控開關器件，業界有像碳化硅二極管和ESBT等基于新材料和新工藝的產品。它們目前的價格還比較高，主要應用于對太陽能光伏發電效率有特殊要求的場合。但隨著生產工藝的不斷進步和器件單價的下降，這類器件也將逐步變為主流產品，甚至替代上述的某一類器件。

以下為兩種可運用的于特殊光伏發電場合的逆變器：

（1）單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

混合單相全橋功率模塊，是專用于光伏發電系統中單相逆變的產品，配合以單極型調制方法，每個橋臂的兩只開關管分別工作在完全相異開關頻率范圍，上管總是在工頻切換通斷狀態，而下管總是在脈寬調制頻率下動作。根據這種工作特點，上管選用相對便宜的門極溝道型(Trench)IGBT以優化通態損耗，而下管可選擇非穿通型(NPT)IGBT以減少開關損耗。這種拓撲結構不但保障了最高系統轉換效率還降低了整個逆變設備的成本。圖3給出了不同器件搭配的轉換效率曲線以印證這種功率模塊的優越性。可以發現，這種混合器件配置在不同負載下能實現98%以上的轉換效率。

在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件機制，充分利用兩端器件開關頻率遠高于中間相鄰兩器件。因而APTCV60系列三電平模塊兩端使用超結MOSFET，中間為IGBT的結構，可進一步提高效率。

（2）ESBT

ESBT是應用于太陽能光伏發電系統中的一種新型高電壓快速開關器件，它兼顧了IGBT和MOSFET的優點，不僅電壓耐量高于MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市場的ESBT太陽能升壓斬波器模塊，集成了碳化硅二極管和ESBT，面向5kW～205kW的超高效率升壓應用。其電壓為1200V，集電極和發射極間飽和通態電壓很低（接近1V），優化開關頻率在30kHz～40kHz之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。實驗表明，這種功率模塊比目前市場上對應的IGBT模塊減少40%的損耗。根據6kW的參考設計實驗結果，此模塊在50%至滿負載之間，轉換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個百分點。因此，在碳化硅全控器件的價格下降到可接受的范圍之前，對于超高效率的太陽能光伏功率變換應用，ESBT將是優選開關器件。