拆解安森美核心光伏方案：從器件到系統(tǒng)，全面推動能效提升

時間：2025-09-09 17:47:44

關鍵字：太陽能逆變器光伏逆變器 SiC 二極管

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[導讀]太陽能逆變器種類豐富，可按類型（集中式、組串式、微型）或終端應用場景（住宅、商業(yè)、公用事業(yè)）進行劃分。目前，組串式逆變器因具備靈活性高、易于安裝的特點而應用最為廣泛。隨著功率器件的不斷迭代升級，單臺逆變器的功率水平與功率密度持續(xù)提升，而單價和尺寸卻不斷下降，這使其成為太陽能逆變器市場的主流產(chǎn)品。

太陽能逆變器種類豐富，可按類型（集中式、組串式、微型）或終端應用場景（住宅、商業(yè)、公用事業(yè)）進行劃分。目前，組串式逆變器因具備靈活性高、易于安裝的特點而應用最為廣泛。隨著功率器件的不斷迭代升級，單臺逆變器的功率水平與功率密度持續(xù)提升，而單價和尺寸卻不斷下降，這使其成為太陽能逆變器市場的主流產(chǎn)品。

集中式太陽能逆變器通常應用于公用事業(yè)電站，具有超大容量。但受安裝地點限制，近年來其新增裝機容量已被組串式太陽能逆變器超越。微型太陽能逆變器主要用于住宅發(fā)電，同時也廣泛服務于城市基礎設施供電，例如路燈、交通信號燈等場景。

太陽能逆變器的核心是功率轉換部分，具體包含 DC-DC 升壓轉換器與 DC-AC 逆變器。隨著功率器件的持續(xù)發(fā)展，以及終端產(chǎn)品催生出的新需求，諸多新型拓撲結構應運而生。深入了解這些拓撲結構及功率產(chǎn)品，有助于更透徹地理解整個系統(tǒng)并實現(xiàn)快速設計。

框圖 - 光伏逆變器

下面的框圖展示了由安森美 (onsemi)打造的光伏逆變器解決方案。該框圖呈現(xiàn)了光伏逆變器所采用的電源管理和功率轉換技術。安森美提供品類齊全的產(chǎn)品，涵蓋分立碳化硅 (SiC) 器件、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、功率模塊、隔離式柵極驅動器及電源管理控制器，助力系統(tǒng)實現(xiàn)更高的功率密度和效率。

市場信息和趨勢

碳化硅替代品

碳化硅 (SiC) 有助于提供更高的效率以推進當前技術趨勢。與傳統(tǒng)的硅基 MOSFET/IGBT 相比，SiC 器件在高電壓場景下的優(yōu)勢尤為突出：高壓器件可簡化拓撲結構，無需使用多電平轉換器； SiC 逆變器解決方案的損耗低于 IGBT 解決方案；同時， SiC MOSFET 的開關速度更快，能夠縮小無源器件（尤其是電感）的尺寸。這兩方面因素共同提升了功率密度，使相同尺寸和重量的器件可實現(xiàn)更高功率輸出。

不過，實際應用中必須在成本與性能之間進行權衡，并結合具體需求來選擇最合適的解決方案。

IGBT 和 SiC 二極管

SiC 二極管替代方案的應用正愈發(fā)普遍，尤其在 DC-DC 轉換環(huán)節(jié)，原因有三：其一，成本已降至合理水平；其二，無需對電路設計進行大幅改動；其三，也是最重要的一點，能顯著提升系統(tǒng)性能。此外，工作頻率的提高還可縮小無源器件的尺寸。

在大功率產(chǎn)品（約 200kW 以上）中， IGBT 仍是首選。一方面， IGBT 在大電流場景下表現(xiàn)優(yōu)異，且這類系統(tǒng)對工作開關頻率的要求不高，因此 IGBT 關斷速度慢的問題不會造成太大影響。另一方面，全 SiC 系統(tǒng)需要全新設計，且成本高昂。例如，基于 IGBT 的轉換器驅動電路與 SiC 系統(tǒng)不兼容；由于 SiC 元件的短路耐受時間 (SCWT) 短于 IGBT，還需重新設計保護方案。

更高的母線電壓

對大功率的需求持續(xù)增長，在同等功率條件下，采用 1500V 組串替代 1100V 組串時，因電流更低而能夠降低互聯(lián)成本。為順應此類趨勢，更高電壓等級的開關器件應運而生。無論是選用高壓開關器件，還是采用多電平拓撲結構，都能顯著提升光伏逆變器的工作功率。關于 1500V 逆變器與 1100V 逆變器的對比，詳見后文。

表 1： 1500V（型號-2）與 1100V 光伏逆變器的對比

公用事業(yè)級解決方案

300 kW+ 光伏組串式逆變器 - 公用事業(yè)級解決方案

安森美發(fā)布了采用 F5BP 封裝的新型 Si/SiC 混合功率集成模塊 (PIM)，可為公用事業(yè)級光伏組串式逆變器及儲能系統(tǒng)提升 15% 的功率輸出。這些模塊能夠提高功率密度與效率，使光伏逆變器的功率從 300kW 提升至 350kW。這意味著，對于一座 1 吉瓦的光伏電站而言，每小時可額外節(jié)省近 2 兆瓦的電力。此外，新型模塊憑借更高的功率密度與效率，減少了所需模塊的數(shù)量，將元件成本降低 25% 以上。

該系列模塊集成了先進元件，包括 1050V FS7 型 IGBT 與 1200V D3 EliteSiC 二極管，與前代產(chǎn)品相比，功率損耗降低高達 8%，開關損耗減少 15%。這些 PIM 模塊在逆變器部分采用創(chuàng)新的 I-NPC 拓撲結構，在升壓部分則采用飛跨電容拓撲。此外，它們采用先進的直接鍵合銅 (DBC) 基板，可大幅減少雜散電感和熱阻。這種設計將散熱器的熱阻降低了 9.3%，有助于在高負載下維持較低的工作溫度，進而提升整體可靠性。