拓?fù)湓O(shè)計(jì)可參考HERIC(高效率和可靠逆變器概念)如圖二，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在交流側(cè)增加了一個(gè)采用兩個(gè)背靠背IGBT器件(絕緣柵雙極型晶體管)的旁路橋臂。交流旁路提供了兩個(gè)重要功能。

2.1理論分析：

1)在零電壓狀態(tài)時(shí)避免了L1(2)和CPV間的無功功率交換，從而提高了效率。

2)在零電壓狀態(tài)時(shí)將光伏模塊和電網(wǎng)隔離，從而消除了VPE中的高頻成分

這種設(shè)計(jì)主要特征為：

1)S1-S4和S2-S3以高頻方式開關(guān)，S+(S-)以電網(wǎng)頻率開關(guān)。

2)存在兩種零電壓狀態(tài)：S+=ON和S-=ON(當(dāng)橋臂關(guān)斷時(shí))

優(yōu)點(diǎn)：

1)濾波器上的電壓是單極性的(0→+VPV→0→-VPV→0)，從而降低了鐵芯的消耗。

2)效率可高達(dá)97%，這是因?yàn)榱汶妷籂顟B(tài)時(shí)在L1(2)和CPV間沒有無功功率交換，并且一個(gè)橋臂的開關(guān)頻率低。

3)VPE中只含有電網(wǎng)頻率分量而沒有開關(guān)分量，因此產(chǎn)生的漏電流和EMI都很小。

應(yīng)用該拓?fù)湓O(shè)計(jì)，改善了采用雙極性調(diào)制的全橋逆變器的性能，它通過交流旁路為電路 增加零電壓狀態(tài)提高了效率。由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率高和漏電流及EMI小，因此它非常適合用于無變壓器型光伏逆變器。Sunways將這一經(jīng)典的H橋型的新型拓?fù)渖暾?qǐng)的專利，適合2.7~5KW功率段產(chǎn)品。

2.2 專利規(guī)避

為了促進(jìn)我國(guó)光伏行業(yè)的發(fā)展，針對(duì)上述HERIC拓?fù)洌梢栽趯＠矫孀鲂┮?guī)避。比如可以在圖二的S1管或S3管與BUS+串入一個(gè)處于常通狀態(tài)的IGBT，綜合看比H6的成本更低，從研發(fā)經(jīng)驗(yàn)看layout走線較為順利，可實(shí)現(xiàn)雙層板，相比四層板價(jià)格價(jià)格可降30%。

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圖二

三、電子線路優(yōu)化：

3.1輔助電源：

業(yè)界內(nèi)簡(jiǎn)稱SPS,起初從主變壓器輸出的HF-POWER信號(hào)去驅(qū)動(dòng)4個(gè)并聯(lián)的變壓器(3個(gè)INV驅(qū)動(dòng)變壓器和1個(gè)COMM-POWER變壓器)為了從空間和成本考慮，將4個(gè)變壓器合成為一個(gè)變壓器。因拓?fù)涞牟町愋裕肊I30~EI33變壓器便可滿足需求。

3.2輔助電源拓?fù)洌?/p>

設(shè)計(jì)此處裕量較大，隨著成本壓力的增加，雙管單端反激優(yōu)化為單管單端反激，既滿足了性能要求，又降低了成本。

傳統(tǒng)輔助電源一般從BUS側(cè)取電，但稿主覺得可以從電網(wǎng)接口取電，這樣可以有兩方面好處:

(1)避免早晚PV能量微弱時(shí)產(chǎn)生的重復(fù)啟動(dòng)導(dǎo)致SPS電源異常鎖死;

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(2)電整流后電壓較低，對(duì)應(yīng)開關(guān)管選型和變壓器設(shè)計(jì)的需求成本會(huì)極大降低 (電網(wǎng)最高 AC300V，PV最高600V)。

(3)SPS電網(wǎng)取電，可以除去掉PV的假負(fù)載電路，原理是在+15V沒有建立前，假負(fù)載一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)+15V建立后，假負(fù)載電路停止工作。這樣可以簡(jiǎn)化SPS電源設(shè)計(jì)，降低成本，減少額外電路占用PCB空間。業(yè)界常用的假負(fù)載電路如圖三：

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圖三

3.3絕緣阻抗檢測(cè)：

傳統(tǒng)雙路輸入的逆變器起初用兩個(gè)繼電器，但目前軟件算法的深入，用單個(gè)繼電器便完全可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)繼電器的性能。

3.4 CPU冗余：

最早要求冗余的是德國(guó)VDE-0126-1-1，要求在檢測(cè)電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)過零點(diǎn)、漏電流、逆變電流等方面要求做冗余檢測(cè)，所以要多一顆輔CPU，成本就會(huì)增加，隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的放開，考慮到國(guó)內(nèi)監(jiān)管不嚴(yán)格和低成本的需求，有些廠家已經(jīng)把輔CPU去掉或者不焊接。

3.5漏電流檢測(cè)方案：

現(xiàn)在大部分逆變器廠家依然沿用傳統(tǒng)方案分立器件所搭的電路，由于分立器件的離散性和耦合性較差，特別在電網(wǎng)較差的場(chǎng)合如：澳洲電網(wǎng)的單線傳輸特殊性，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)逆變器廠商大面積誤報(bào)漏電錯(cuò)誤信息，帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。另外雷擊很容易使GFCI電路失效，雖然經(jīng)過幾代國(guó)內(nèi)外工程師的優(yōu)化，在漏電互感線圈的每個(gè)端口防止大量的鉗位二極管保護(hù)，還未徹底解決這類問題的發(fā)生，所以Magtron針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)生的客訴以及逆變器小型化，集成化的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)出高度集成的漏電流傳感器并且得到大批量的應(yīng)用，目前已有許多典型逆變器廠家選用模塊式的漏電流檢測(cè)方案。數(shù)據(jù)表明，相對(duì)分立器件的管控成本較低，類似客訴事件大大降低，售后成本也大幅下降。

Magtron獨(dú)創(chuàng)的Type B型RCMU(關(guān)于TypeB型的RCMU分析可百度搜尋稿主上一篇文章“RCMU在光伏逆變器中的研究說明”)在光伏逆變器中得到廣泛的認(rèn)可。為了逆變器的研發(fā)與制造商考慮，Magtron基于“Magtron iFluxgate”系列技術(shù)方案，在原器件的方案上對(duì)RCMU進(jìn)行強(qiáng)勢(shì)升級(jí)，開發(fā)了一款專為匹配小功率逆變器要求和成本的一款全球超小型漏電流傳感器RCMU101SM1-AI如圖四，為高絕緣強(qiáng)度、高功率密度、高性價(jià)比的超薄逆變器的方案奠定了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。該器件采用SoC集成方案，包含全球獨(dú)特的Self-Check功能。具有全溫區(qū)線性度高、精度良好、單電源供電、電路應(yīng)用簡(jiǎn)單，并且兼容RCMU各個(gè)型號(hào)等特點(diǎn)，其模塊化的設(shè)計(jì)、PCB插件式的安裝讓客戶在實(shí)際使用更加方便和快捷。體積上相比中大功率的RCMU有明顯的減小，體積減少3/4以上。使得逆變器AC端的布局可以更加靈活。

Magtron檢測(cè)TypeB型漏電流利用的是環(huán)形磁通門原理：

被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下(如圖四驅(qū)動(dòng)波形)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測(cè)量弱磁場(chǎng)的。這種物理現(xiàn)象對(duì)被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用這種現(xiàn)象來測(cè)量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而間接的達(dá)到測(cè)量電流的目的。

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圖四

整個(gè)過程可以概括為：當(dāng)磁通門式電流傳感器工作時(shí)，激勵(lì)線圈中加載一固定頻率、固定波形的交變電流進(jìn)行激勵(lì)，使磁芯往復(fù)磁化達(dá)到飽和。在不存在外在電流所產(chǎn)生的被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，則檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只含有激勵(lì)波形的奇次諧波，波形正負(fù)上下對(duì)稱。當(dāng)存在直流外在和激勵(lì)交變磁場(chǎng)，直流被測(cè)磁場(chǎng)在前半周期內(nèi)促使激勵(lì)場(chǎng)使磁芯提前達(dá)到飽和，而在另外半個(gè)周期內(nèi)使磁芯延遲飽和。因此，造成激勵(lì)周期內(nèi)正負(fù)半周不對(duì)稱，從而使輸出電壓曲線中出現(xiàn)振幅差。該振幅差與被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)成正比，因此可以利用振幅差來檢測(cè)磁環(huán)中所通過的電流。

模塊主要特點(diǎn)：

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圖五

?最小檢測(cè)范圍由直流0mA~交流500mA(可數(shù)字化調(diào)整)

?集成安全自檢(Self-check)功能，安規(guī)件級(jí)別

?超小安裝體積：長(zhǎng)*寬*高=26mm*12mm*23mm

?系統(tǒng)成本有顯著降低的Type B型RCMU

?故障電流檢測(cè)根據(jù)IEC62109或VDE0126

?BW=DC~700Hz頻率范圍

3.6 PV側(cè)電流傳感器

PV側(cè)電流傳感器主要有以下作用：

?LCD顯示電流;

?計(jì)算Pdc用于MPPT追蹤;

?輸入BOOST電流限流;

?參與PV內(nèi)環(huán)的控制;

?直流過流保護(hù)及產(chǎn)生中斷;

業(yè)界在用的雙電源方案，在設(shè)計(jì)輔助電源時(shí)，多設(shè)計(jì)了一個(gè)繞組，這樣會(huì)增加電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，雙電源本身的損耗會(huì)大于單電源的，同時(shí)雙電源的器件本身價(jià)格要大于單電源，因此開發(fā)一款小型化、低成本單電源的電流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。針對(duì)逆變器的PV側(cè)電流檢測(cè)的需求，Magtron獨(dú)立開發(fā)的單芯片、超小體積電流傳感器MS20 Series如圖五。MS以獨(dú)有的小型化，高帶寬的優(yōu)勢(shì)在超薄逆變器中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，隨著軟件算法的進(jìn)步和發(fā)展，相比日前主流的高精度閉環(huán)電流傳感器有著巨大的設(shè)計(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

Magtron SoC芯片方案電流檢測(cè)技術(shù)：

如圖六單芯片ASIC解決方案，PGA可編程增益單元，可根據(jù)客戶不同量程需求匹配不同的增益比以及根據(jù)電流大小變化自動(dòng)調(diào)節(jié)增益輸出，實(shí)現(xiàn)全量程高精度;TC溫度校正模塊可實(shí)現(xiàn)全溫區(qū)高低溫校正補(bǔ)償;可編程基準(zhǔn)模塊讓電壓基準(zhǔn)任意可調(diào)節(jié)成為現(xiàn)實(shí);芯片上的Stable Output輸出驅(qū)動(dòng)模塊具有吸收100mA，推動(dòng)50mA電流的能力;OTP可編程E-Fuse陣列存儲(chǔ)器,大大提升了存儲(chǔ)的可靠性和持久性;專用DSP數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)雙向高速串行通訊;

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圖六

模塊主要特點(diǎn)：

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圖七

?增益以及電流量程可調(diào)

?內(nèi)置智能傳感SoC芯片

?超小體積，長(zhǎng)*寬*高=15*6*12mm

?BW=DC~150KHz,交直流都可測(cè)，響應(yīng)時(shí)間<3uS

?高線性度εL=0.4‰

四、磁性元器件優(yōu)化

行業(yè)起初，非晶電感的應(yīng)用比較廣泛，后來由于鐵硅鋁的性價(jià)比較高，控制特性較好，噪音等方面優(yōu)勢(shì)，非晶電感在本行業(yè)應(yīng)用越來越少，鐵硅鋁已經(jīng)主宰逆變器行業(yè)的舞臺(tái)。在整機(jī)成本中磁性元件的價(jià)格占的比重較大，以5KW單相逆變器為例，逆變開關(guān)頻率20KHZ，經(jīng)MATHCAD計(jì)算單個(gè)逆變電感需要3個(gè)MS226060的鐵硅鋁磁環(huán)，30KHZ時(shí)候需要2個(gè);BOOST開關(guān)頻率30KH計(jì)算需要2個(gè)MS226060磁環(huán)。稿主建議將開關(guān)頻率提高40KHZ~60KHZ這樣可以大量減少磁環(huán)疊加的個(gè)數(shù)，降低了成本，提高了效率，電感整個(gè)高度尺寸降低，逆變器內(nèi)部較高的電子元件一般是電感，所以降低電感尺寸是小型化設(shè)計(jì)和降本的法寶之一。

五、輔助散熱

眾所周知，逆變器的內(nèi)部系統(tǒng)最大溫度點(diǎn)會(huì)影響器件的選型。機(jī)體內(nèi)部的結(jié)溫將直接影響器件模塊的壽命。對(duì)于現(xiàn)在一般用的K10/K52的絕緣紙方案，可將其更新用陶瓷散熱的方式，陶瓷片的導(dǎo)熱系數(shù)高于K10/K52的30倍左右，溫升比K10/K52方案低10°以上，這樣可減小熱損耗，降低散熱器成本和提高逆變器的使用壽命。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)光伏逆變器小型化，低成本化設(shè)計(jì)提供點(diǎn)思路。光伏逆變器發(fā)展到今天，綜觀逆變器行業(yè)，除了擁有專利的支撐，如何把有限的資源做到高效的整合和管控，做到穩(wěn)定性和低成本是最終的目標(biāo)，目前已有幾家主流的光伏逆變器廠家能夠利用先進(jìn)技術(shù)與高性價(jià)比器件的整合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器高效率發(fā)電的基本要求。

未來產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)越來越激勵(lì)，為了應(yīng)對(duì)這種局面Magtron全力致力于低成本，小型化的設(shè)計(jì)理念，為光伏逆變器設(shè)計(jì)者全面提供產(chǎn)品和技術(shù)上的全套解決方案與服務(wù)。