光伏发电系统逆变器结构特点

光伏发电系统逆变器结构特点提出问题：1.光伏发电系统并网时的主要部件是什么？2.光伏逆变器如何分类？其电路如何构成？3.IGBT是什么，有什么特点，主要参数？4.电力MOSFET是什么，主要参数和特性？5.逆变器的常用电路有哪些，各自的接线和特点是什么？6.常用逆变器的形式有哪些，各自特点是什么，主要生产厂家？1.光伏发电系统并网时的主要部件是什么？光伏发电系统并网时的主要部件是逆变器。无论是太阳能电池、风力发电还是新能源汽车，其系统应用都需要把直流电转换为交流电，承担这一任务的部件为逆变器。逆变器又称电源调整器、功率调节器，是光伏系统必不可少的一部分。通常，物理上把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。逆变器的名称由此而来。光伏逆变器最主要的功能是把太阳能电池板所发的直流电转化成家电使用的交流电。逆变器是光伏系统的心脏，太阳能电池板所发的电全部都要通过逆变器的处理才能对外输出，逆变器对于整套系统的运行起着重要的作用，逆变器的核心器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，也是价格最高的部件之一。2.光伏逆变器如何分类？其电路如何构成？光伏逆变器的分类如下图：功率较小(4kW)的光伏发电系统一般采用正弦波逆变器。逆变器的显示功能主要包括：直流输入电压和电流的测量值，交流输出电压和电流的测量值，逆变器的工作状态（运行、故障、停机等）。光伏逆变器的电路构成如下图所示：控制电路：逆变器的控制电路主要是为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关器件的导通与关断，配合主逆变电路完成逆变功能。辅助电路：辅助电路主要是将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。辅助电路还包含多种检测、显示电路。逆变器的显示功能主要包括：直流输入电压和电流的测量值，交流输出电压和电流的测量值，逆变器的工作状态（运行、故障、停机等）。保护电路：逆变器的保护电路主要包括输入过压、欠压保护，输出过压、欠压保护，过载保护，过流和短路保护，接反保护，过热保护等。3.IGBT是什么，有什么特点，主要参数？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)，所以它是一个有MOSGate的BJT晶体管，也就是MOSFET和BJT的组合体。MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的，从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。如图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极(即发射极E)。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-区，沟道在该区域形成)，称为亚沟道区(Subchannelregion)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Draininjector)，它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴(少子)，对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件，是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，性能上也是结合了MOSFET和双极型功率晶体管的优点。主要参数（1）集-射极额定电压Uces。它是栅一射极短路时的IGBT最大耐压值，是根据器件的雪崩击穿电压规定的。（2）栅-射极额定电压UGES。IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号来控制IGBT的导通和关断，而UGES是栅极的电压控制信号额定值。通常IGBT对栅极的电压控制信号相当敏感，只有栅极在额定电压值很小的范围内，才能使IGBT导通而不致损坏。（3）栅-射极开启电压UGE(th)。它是指使IGBT导通所需的最小栅射极电压。通常，IGBT的开启电压UGE(th)在3～5.5V之间。（4）集电极额定电流IC。它是指在额定的测试温度（壳温为25℃）条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。（5）集-射极饱和电压UCEO。IGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压，代表了IGBT的通态损耗大小。通常IGBT的集一射极饱和电压UCEO在1.5～3V之间主要生产厂家英飞凌（infineon）德国三菱（Mitsubishi）日本ABB瑞典IR（国际整流器公司）美国4.电力MOSFET是什么，主要参数和特性？电力（功率）MOSFET即金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）有三个管脚，分别为栅极（Gate），漏极（Drain）和源极（Source）。功率MOSFET为电压型控制器件，驱动电路简单，驱动的功率小，而且开关速度快，具有高的工作频率。常用的MOSFET的结构有横向双扩散型场效应晶体管LDMOS（LateralDouble-DiffusedMOS）、平面双扩散型场效应晶体管（PlanarMOS）和沟槽双扩散型场效应晶体管（TrenchMOS）。N沟道的横向双扩散型场效应晶体管的结构如图所示，栅极，漏极和源极都在硅片的上表面，下部为衬底，当电流从漏极流向源极时，电流在硅片内部横向流动，而且主要从硅片的上表层流过，因此没有充分应用硅片的尺寸，电流和电压的额定值受到限制。但这种结构具有低的电容，因此开关速度快，主要适合低压应用，如微处理器、运放、数字电路及射频电路等。主要参数：VDS，即漏源电压，这是MOSFET的一个极限参数，表示MOSFET漏极与源极之间能够承受的最大电压值。需要注意的是，这个参数是跟结温相关的，通常结温越高，该值最大。RDS(on)，漏源导通电阻，它表示MOSFET在某一条件下导通时，漏源极之间的导通电阻。这个参数与MOSFET结温，驱动电压Vgs相关。在一定范围内，结温越高，Rds越大;驱动电压越高，Rds越小。Qg，栅极电荷，是在驱动信号作用下，栅极电压从0V上升至终止电压(如15V)所需的充电电荷。也就是MOSFET从截止状态到完全导通状态，驱动电路所需提供的电荷，是一个用于评估MOSFET的驱动电路驱动能力的主要参数。Id，漏极电流，漏极电流通常有几种不同的描述方式。根据工作电流的形式有，连续漏级电流及一定脉宽的脉冲漏极电流(Pulseddraincurrent)。这个参数同样是MOSFET的一个极限参数，但此最大电流值并不代表在运行过程中漏极电流能够达到这个值。它表示当壳温在某一值时，如果MOSFET工作电流为上述最大漏极电流，则结温会达到最大值。所以这个参数还跟器件封装，环境温度有关。di/dt体二极管的电流变化率，它反应了MOSFET体二极管的反向恢复特性。因为二极管是双极型器件，它受到电荷存储的影响，当二极管反向偏置时，PN结储存的电荷必须清除，上述参数正是反应这一特性的。Vgs，栅源极最大驱动电压，这也是MOSFET的一个极限参数，表示MOSFET所能承受的最大驱动电压，一旦驱动电压超过这个极限值，即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产生永久性伤害。一般来说，只要驱动电压不超过极限，就不会有问题。但是，某些特殊场合，因为寄生参数的存在，会对Vgs电压产生不可预料的影响，需要格外注意。SOA，安全工作区，每种MOSFET都会给出其安全工作区域，不同双极型晶体管，功率MOSFET不会表现出二次击穿，因此安全运行区域只简单从导致结温达到最大允许值时的耗散功率定义。主要生产厂家：德州仪器（TexasInstruments）美国英飞凌（Infineon）德国安森美半导体（ONSemiconductor）美国瑞萨电子（Renesas）日本5.逆变器的常用电路有哪些，各自的接线和特点是什么？逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有单相半桥、单相全桥逆变电路、推挽式逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。又可根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点：1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。（续流二极管）单相半桥逆变电路工作原理如下：V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路的移相调压方式共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压（移相调压）。在0～t1期间，VT1、VT4的基极控制脉冲都为高电平，VT1、VT4都导通，A点通过VT1与Ud正端连接，B点通过VT4与Ud负端连接，故R、L两端的电压Uo大小与Ud相等，极性为左正右负（为正压），流过R、L电流的方向是：Ud+→VT1→R、L→VT4→Ud-。在t1～t2期间，VT1的Ub1为高电平，VT4的Ub4为低电平，VT1导通，VT4关断，流过L的电流突然变小，L马上产生左负右正的电动势，该电动势通过VD3形成电流回路，电流途径是：L右正→VD3→VT1→R→L左负，该电流方向仍是由左往右。由于VT1、VD3都导通，A点和B点都与Ud正端连接，即UA=UB，R、L两端的电压Uo为0（Uo=UA-UB）。在此期间，VT3的Ub3也为高电平，但因VD3的导通使VT3的c、e极电压相等，VT3无法导通。在t2～t3期间，VT2、VT3的基极控制脉冲都为高电平，在此期间开始一段时间内，L还未能完全释放能量，还有左负右正电动势，但VT1因基极变为低电平而截止，L的电动势转而经VD3、VD2对直流侧电容C充电，充电电流途径是：L右正→VD3→C→VD2→R→L左负，VD3、VD2的导通使VT2、VT3不能导通，A点通过VD2与Ud负端连接，B点通过VD3与Ud正端连接，故R、L两端的电压Uo大小与Ud相等，极性为左负右正（为负压），当L上的电动势下降到与Ud相等时，无法继续对C充电，VD3、VD2截止，VT2、VT3马上导通，有电流流过R、L，电流的方向是：Ud+→VT3→L、