微型光伏逆变器设计要素及拓扑结构

与整个系统使用一个逆变器相比，为系统内每个太阳能电池组件都配备一个微型逆变器会再次提升整个系统的转换效率。微型逆变器拓扑的主要好处是，即便其中一个逆变器出现故障，能量转换仍能进行。设计微型逆变器需要考虑的要素如下：

1）变换效率高。并网逆变器的变换效率直接影响整个发电系统的效率，为了保证整个系统较高的发电效率，要求并网微型逆变器具有较高的变换效率。

2）可靠性高。由于微型逆变器直接与太阳能电池组件集成，一般与太阳能电池组件一起放于室外，其工作环境恶劣，要求微型逆变器具有较高的可靠性

3）寿命长。太阳能电池组件的寿命一般为二十年，微型逆变器的使用寿命应该与太阳能电池组件的寿命相当。

4）体积小。微型逆变器直接与太阳能电池组件集成在一起，其体积越小越容易与太阳能电池组件集成。

5）成本低。低成本是产品发展的必然趋势，也是微型逆变器市场化的需求。

仔细权衡这些高层次要求是确定MCU需要哪些功能的最好方法，例如，当并联太阳能电池组件时需要负载平衡控制。所选MCU必须能检测负载电流以及能通过开/关控制MOSFET升高或降低输出电压，这需要一个高速片上ADC来采样电压和电流。

对于针对光伏逆变器应用所设计的MCU，一个极具价值的特性是双片上振荡器，可用于时钟故障检测以提高可靠性。能够同时运行两个系统时钟的能力也有助于减少太阳能电池组件安装时出现的问题。

由于在微型逆变器设计中凝聚了如此多的创新，对MCU来说，其最重要的特性也许就是软件编程能力，该特性使得在电源电路设计和控制中拥有最高的灵活性。片上集成恰当的控制外设以及高模拟集成度是保证系统低成本的两个基本要素，为执行针对优化转换、系统监控和能量存储各环节中的效率所开发出的算法，高性能也是必需的。

2.微型逆变器拓扑结构

微型逆变器的特殊应用需求，决定了其不能采用传统的降压型逆变器拓扑结构，如全桥、半桥等拓扑，而应该选择能够同时实现升降压变换功能的变换器拓扑，除能够实现升降压变换功能外，还应实现电气隔离；另一方面，高效率、小体积的要求决定了其不能采用工频变压器实现电气隔离，需要采用高频变压器。

可选的拓扑方案包括：高频链逆变器、升压变换器与传统逆变器相组合的两级式变换、基于隔离式升降压变换器的Flyback逆变器等几种，其中Flyback变换器拓扑结构简洁，控制简单、可靠性高，是一种较好的拓扑方案，目前英伟力等公司开发的微型逆变器产品均是基于Flyback变换器。

为了减小微型逆变器的体积，要求提高逆变器的开关频率，而开关频率的提高必然导致开关损耗升高、变换效率下降，因此小体积与高效率两者之间是矛盾的，高频软开关技术是解决两者矛盾的有效方法，软开关技术可以在不增加开关损耗的前提下提高开关频率。

在许多应用中，使用微型逆变器拓扑可以显着提高系统整体效率。在太阳能电池组件级，效率有望提升30％。但由于各应用差异很大，系统级改善的“平均”百分比并没多大意义。当评估微型变频器在具体应用中的价值时，应从几个方面考虑拓扑结构。

1）在小型应用中，各太阳能电池组件有可能面临基本相同的光照、温度和阴影等条件。因此，微型逆变器在提升效率方面作用有限。

2）为使各太阳能电池组件工作在不同电压以获得最高能效，要求采用DC/DC转换器使各太阳能电池组件的输出电压统一于储能蓄电池的工作电压。为尽可能降低制造成本，可把DC/DC转换器和逆变器设计成一个模块。用于本地电源线路或连接配电网的DC/AC转换器也可被整合进该模块。

3）太阳能太阳能电池组件必须要互相通信，这会增加导线和复杂性。这是对在模块中包含逆变器、DC/DC转换器和太阳能电池组件的另一个争论点。

4）每个逆变器的MCU仍然必须有足够能力来运行多个MPPT算法以适应不同的工作环境。

5）采用多个MCU会加大整体系统的成本。

研究和开发简单有效的软开关技术并将软开关技术与具体的微型逆变器拓扑相结合是微型逆变器开发需要解决的关键问题之一，英伟力公司引入谐振软开关技术有效改善了微型逆变器的变换效率，其发布的MAC250微型逆变器产品最高效率达到95%以上，CEC效率达到94.5%以上。

太阳能电池组件的寿命一般为20～25年，要求微型逆变器的寿命必须接近太阳能电池组件，而电解电容是功率变换器寿命的瓶颈，要使微型逆变器达到太阳能电池组件的寿命，必须减少或避免电解电容的使用，因此研究和开发无电解电容功率变换技术是微型逆变器开发需要解决的另一个课题。