Onsemi - 光伏逆变器系统设计从系统目标到解决方案，一文讲透

出处：维库电子市场网发布于：2024-05-29 16:25:48

　　爆款干货资料光伏逆变器系统设计指南持续上新，篇文章我们介绍了系统目标、市场趋势、系统实现、系统描述。本文将重点介绍解决方案。
　　系统框图 - 光伏逆变器

　　微型逆变器

简化的微型逆变器功率转换级

功率 MOSFET， 80V， SO8FL 封装， T10

　　特性
　　VDSS = 80V， ID = 253A， RDS(ON) = 1.43 mΩ
　　低 QRR = 224nC
　　的屏蔽栅极架构
　　低 QG 以化驱动损耗
　　应用
　　隔离式 DC-DC 转换器中的初级开关
　　电机驱动

　功率 MOSFET， 150V， PQFN-8 封装

　　特性
　　VDSS = 150V， ID = 31A， RDS(ON) = 31 mΩ
　　小巧的外形尺寸（5 x 6 mm），适用于紧凑设计
　　低 QG 以化驱动损耗
　　应用
　　隔离式 DC-DC 转换器中的初级开关
　　开关电源
　　解决方案概述
　　组串逆变器 - DC-DC 升压级

两电平单升压

　　简电路且易控制
　　低物料清单成本，低故障率
　　正常效率
　　适中的尺寸和电磁干扰（EMI）
　　满足全电压要求的功率元件
　　三电平对称升压
　　降低电感器、 MOSFET/IGBT、二极管的应力 .
　　减小电感器尺寸和重量
　　电路简单，易于控制
　　效率高
　　谐波质量更好， dv/dt 更低
　　目标 - 当前大多数客户的三相 1100 V/1500 V 项目
　

三电平飞跨电容升压

　　仅 1 个电感器，双倍电感器频率，尺寸更小
　　共地简化了设计（包括 EMI 电感器、 Y 型电容器、连接器和导线、电位诱导衰减电路 PID）
　　额外的飞跨电容和启动电路
　　三种方案中效率
　　谐波质量更好， dv/dt 更低
　　目标 - 三相大于 1500 V，效率要求更高
　　3 通道飞跨电容升压型 SiC 混合功率集成模块（PIM）

　　特性

　　1000 V 低 VCE(SAT)快速开关 IGBT 和 1200 V 碳化硅二极管
　　模块具有低热阻抗基板
　　提供焊接引脚和压接引脚选项
　　内置 NTC 热敏电阻
　　优点
　　易于模块安装，更高的输出功率
　　灵活支持不同制造工艺
　　卓越的效率，热损耗低。与 1200 V IGBT 解决方案相比，具有更高的输出功率
　　应用
　　1500 V 分散式公用事业规模光伏逆变器

　NXH600B100H4Q2F2 原理图

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飞跨电容升压转换器的特性

　　只需一个电感器，电流更小
　　开关频率降低，可考虑使用 IGBT
　　碳化硅升压二极管，以节省损耗

　　三电平拓扑结构带来的主要优势

组串式逆变器 - DC-AC 逆变器功率级

　　HERIC/H6.5
　　广泛应用于单相光伏逆变器设计中
　　电路和控制较复杂
　　三电平拓扑比半桥结构效率更高
　　6 个开关 (6*Vd)， 5 个二极管（比 HERIC 少 1 个） .
　　移除变压器时，可减小共模漏电流
　　目标功率等级 < 10 kW

　三电平 T-NPC 拓扑

　　电路简单，易于控制，应用广泛
　　只需垂直开关即可获得满电压
　　三电平拓扑结构效率更高，开关损耗低
　　谐波质量更好， dv/dt 更低
　　目标 - 输出功率为 20 kW~100 kW 的 3 相、 1100 V 系统

　　组串式逆变器 - DC-AC 逆变器功率级

三电平 I-NPC 拓扑
　　电路简单，易于控制，应用广泛
　　开关电压减半
　　采用三电平拓扑结构，效率更高
　　谐波质量更好， dv/dt 更低
　　损耗不平衡

　　目标 - 输出功率为 40 kW~220 kW 的高达 1500 V 系统

三电平 A-NPC 拓扑

　　电路复杂且控制复杂
　　开关上电压减半
　　采用三电平拓扑结构实现高效率
　　谐波质量更好， dv/dt 更低，电感更小
　　灵活的换流支路选择

　　目标 - 输出功率大于 200 kW、电压高达 1500 V 的系统

　　当 PF=1 时 I-NPC 的功率损耗分布
　　A-NPC 与 I-NPC 比较

　　几十年来， I-NPC 已被改进为大功率光伏逆变器系统的理想选择。然而，随着系统演进要求的不断提高， INPC 的损耗平衡问题变得至关重要。在 PF=-1 和小调制指数（M=0.05）的情况下，内部 IGBT 是整流器工作模式中应力的器件。当 PF=1 和 M=0.95 时，外部 IGBT 是逆变器工作模式下应力的器件。介于两者之间的所有工作点都不太重要。因此，我们提出了 A-NPC 方案，用带有两个反并联二极管的 IGBT取代两个箝位二极管。通过这种方法，换流支路变得更加灵活，优化了损耗/热分布，终提高了输出功率和效率。

　三电平 A-NPC 功率集成模块， Q2 封装

　　特性
　　VCE = 1000 V， ICE = 800 A，场截止第四代 IGBT
　　提供高功率密度的模块设计
　　低电感布局
　　内置 NTC 热敏电阻
　　提供焊接引脚和压接引脚选项
　　优点：
　　平衡损耗和散热
　　灵活的换流支路选择
　　应用：
　　1500 V 分布式公用事业级光伏逆变器

　　EliteSiC， 1200 V MOSFET， M3S 系列：

　　新型 1200 V M3S 平面碳化硅 MOSFET 系列
　　针对高温运行进行了优化
　　改善寄生电容，适合高频运行
　　RDS(ON) =22 mΩ @VGS =18 V*
　　超低栅极电荷 (QG(TOT))=137 nC*
　　高速开关，具有低电容特性(COSS =146 pF)*
　　提供开尔文源极连接*

　场截止第七代， IGBT， 1200 V

　　新型 1200V 沟槽型场截止第七代 IGBT 系列
　　沟槽窄台面与质子注入多重缓冲技术
　　提供快速开关与低饱和压降 VCE(SAT)类型
　　改进寄生电容，适用于高频运行
　　通用封装
　　目标应用 - 能源基础设施、工厂自动化

　半桥全 SiC 集成功率模块

　　2 × 1200 V 碳化硅 MOSFET， RDS（ON） = 10 mΩ
　　低热阻
　　内置 NTC 热敏电阻
　　在更高电压下改善了 RDS(ON)
　　更高效、更高功率密度
　　灵活的高可靠性热接口解决方案
　　*NTH4L022N120M3S 主要特性
　　如何选择栅极驱动器？
　　电流驱动能力：开关的导通和关断实际上是输入输出电容器的充放电过程。更高的灌电流和拉电流能力意味着更快的导通和关断速度，终带来更小的开关损耗。
　　故障检测：栅极驱动器不仅用于驱动开关，还能保护开关甚至整个系统。例如，欠压锁定（UVLO）可确保栅极驱动器的电源处于良好状态，去饱和（DESAT）用于检测短路，有源米勒箝位可防止在快速开关系统中出现误导通。阅读 AND9949 - NCD(V)57000/57001 栅极驱动器设计笔记，了解保护功能。
　　抗扰性：共模瞬态抗扰度（CMTI）是指栅极驱动器输入和输出电路之间共模电压上升或下降的容许速率，它决定了该产品是否可用于快速开关系统。大功率系统以非常快的变化率运行，例如大于 100 V/ns 时会产生非常大的电压瞬变。隔离栅极驱动器需要能够承受高于额定电平的 CMTI，以防止低压电路侧产生噪声，并防止隔离势垒失效。
　　传播延迟：传播延迟是指从输入 10%到输出 90%的时间延迟（供应商之间可能有所不同）。这种延迟会影响器件之间的开关时序，这在高频应用中至关重要。设置死区时间可以避免击穿乃至进一步损坏，死区时
　　间设置得越少，开关损耗就会越小。
　　兼容性：在新项目中，如果没有重大设计变更，引脚对引脚的替换总是。选择规格和封装相似的栅极驱动器有利于快速设计。
　　当然，并非每一点都需要遵循。例如，与 IGBT 不同，碳化硅 MOSFET 的输出特性更像可变电阻，没有饱和区，这意味着普通的去饱和检测原理行不通。作为解决方案之一，通常使用电流传感器来检测过流，或使用温度传感器来检测异常温度。

NCP51561

　　碳化硅（SiC）隔离栅极驱动器
　　4.5 A/9 A 峰值拉/灌电流
　　36 ns 传播延迟， 8 ns 延迟匹配
　　5 kV 电隔离， CMTI≥200 V/ns
　　双通道设计
　　8 毫米爬电距离的 SOIC-16WB 封装
　　NCD57080
　　隔离型大电流栅极驱动器
　　高电流峰值输出（6.5 A/6.5 A）
　　欠压锁定（UVLO），有源米勒箝位
　　3.5 kV 电隔离， CMTI≥100 V/ns
　　典型 60 ns 传播延迟
　　单通道设计
　　8 毫米爬电距离的 SOIC-8WB 封装