光伏逆变器拓扑电路



Heric拓扑的优势，为什么单项光伏逆变器通常选用Heric拓扑？

揭秘Heric拓扑的魅力：为何单项光伏逆变器首选Heric结构？

在光伏逆变器的世界里，美国的UL标准一直是行业关注的焦点。自1999年UL 1741问世以来，它不仅是电击、火灾、机械安全的守护者，更是输出功率特性和电网兼容性的重要考量。然而，2014年UL 62109-1的发布，为逆变器认证带来了新的选择，它作为IEC 62109-1在美国的应用，为适应全球市场提供了灵活性。

欧洲市场则遵循严格的IEC 62109系列标准，如IEC 62116、IEC 61727等，不仅强调设备的电气和机械安全，还着重于电性能的评估。各国对此标准的采纳程度各异，英国虽未完全采用IEC，但也有G83/1和G59/1等本土标准。德国的VDE0126-1-1，西班牙的RD 1663/2000，澳大利亚的AS 4777，意大利的DK5940等，都是针对电网保护的认证典范。

尽管标准繁多，但Heric拓扑在单项光伏逆变器中独树一帜。这种拓扑结构的优势在于其高效、可靠和灵活性，它能够在满足众多安全标准的同时，提供卓越的转换效率和电网兼容性。对于那些寻求全球市场准入的制造商而言，Heric拓扑往往成为他们的首选，因为其一次认证，多国通用，极大地简化了认证流程，降低了成本。

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单相小功率逆变器拓扑

逆变器技术在光伏并网系统中的应用日益广泛，尤其在低压电网指令和无功调节方面面临挑战。常见拓扑结构在抑制漏电流和共模电流方面存在局限性，因此高效抑制漏电流的拓扑架构和共模电流抑制成为关键。本文将详细介绍逆变器拓扑在这些问题上的解决方案和改进。

传统小功率逆变器主要使用H4单相全桥拓扑，但由于存在漏电流问题，需要通过改变调制策略或增加RC吸收电路、输出隔离变压器等方式解决，这些措施会导致效率下降、体积增大和成本增加。德国SMA公司推出的H5结构从根本上解决了漏电流问题，随后出现了一系列解决漏电流的拓扑，如H6、双Buck拓扑等，这些拓扑在提高效率方面表现出色。

抑制共模电流是提升逆变器性能的关键之一。共模电流影响系统安全，降低效率，并引入谐波。逆变器中寄生电容的存在导致共模电压变化，进而产生共模电流。抑制共模电流的方法主要是降低共模电压的频率或维持共模电压不变。在实际应用中，选择合适的拓扑结构对于抑制共模电流至关重要。

H4和H6拓扑在抑制共模电流方面的性能分析表明，H6拓扑相对H4拓扑在共模电流抑制上具有优势。H6逆变拓扑采用单极性SPWM调制，产生高频SPWM输出波形，通过LC滤波器连接市电。控制环路通过采样BUS电压、市电电压和电感电流，实现输出电流与市电电压相位的同步，同时满足各法规对输出电流的要求。在工作原理中，H6逆变桥采用6个开关管驱动波形，实现高频和低频开关管的优化配置，以减少损耗和提高效率。

在H6拓扑中，开关管的选取考虑了开关频率和电流峰值等因素，以确保在稳定工作条件下，高频开关管开关动作时的△Vds范围较小，从而减少开关损耗。此外，通过合理配置二极管、滤波电感和滤波电容，实现逆变器的高效运行和良好的电流输出波形。

为了进一步优化逆变器的性能，设计了差分采样电路和抬升电路，以满足DSP28335的ADC输入电压范围需求。逆变器的输出滤波器采用LC或LCL结构，选择合适的滤波器结构以满足不同应用场合的需求，从而实现对高频谐波的有效衰减。

最后，通过双极性和单极性SPWM控制方式的比较，双极性SPWM虽然在损耗和电感电流纹波方面相对较高，但不存在共模漏电流问题，且不容易产生过零点畸变。因此，在设计逆变器控制策略时，需要综合考虑效率、损耗和系统稳定性等因素。

综上所述，高效抑制漏电流的拓扑架构和共模电流抑制策略是小功率逆变器面临的技术难题。通过采用先进的拓扑结构、优化控制策略和合理配置电路组件，可以显著提升逆变器的性能和可靠性，满足低压电网指令和无功调节的需求。

heric拓扑的优势,为什么单项光伏逆变器通常选用heric拓扑?

非隔离型单相并网逆变器在小功率光伏发电系统中广泛应用，因其体积小、效率高等特点。然而，在并网系统中，由于缺少变压器，光伏电池板与电网间存在多处分布电容，功率器件在高频开关时会导致共模电流的产生。为了保障人员和设备安全，必须对地漏电流进行有效抑制。针对此问题，常见的优化策略有两种：一是采用H桥拓扑并结合双极性PWM调制，可以有效抑制共模电流，但存在开关损耗较大及输出电压幅值跳变的问题；二是提出H5、H6等改进型拓扑，分别在效率与共模电流抑制之间寻求平衡，但它们在成本或效率上存在局限。Heribert Schmidt等学者提出了一种新颖的拓扑结构，即Heric拓扑，仅需增加两个功率器件，即可实现输出共模电压的相对稳定，同时提高整体效率，从而被广泛应用在单相并网逆变器中。

Heric电路通过增加T5/D5与T6/D6两个功率器件，滤波电感在续流过程中提供了双向电流通路，从而控制输出共模电压相对稳定。这种拓扑结构下，功率因数为1时，T5与T6在工频下进行开关操作，正半周期T1与T4进行高频开关，关断时通过T6与D5进行续流，负半周期则同理。T2、T3与T5、D6进行换流，保证逆变器AC端口的共模电压输出相对稳定，基本维持在VDC/2。

在Heric电路需要向电网注入无功电流时，T5、T6则需要在输出电压电流反向区间内分别进行高频开关，以适应输出滞后无功电流的情形。例如，当输出电压V大于0而电流I小于0（规定电流流出H桥为正）时，T1-T4均关断，T5导通，电感电流通过T5与D6进行续流，T5关断时电感电流通过D1与D4流通。同样地，当输出电压V小于0而电流I大于0时，T6、D5与D2、D3进行换流。

在单相户用光伏逆变器的应用中，追求小体积和低噪音是产品设计的关键目标之一，这不仅降低了设备的安装要求，也为用户在运行期间提供了更加宁静的环境。因此，较高的开关频率是功率半导体器件的重要需求之一，而更高的效率和更好的可靠性则是产品设计中不可或缺的特性，有助于为客户提供长期稳定的经济效益。在单相光伏应用中，电网电压通常为220/230VAC，逆变器的母线电压在350-400VDC左右，因此，适合应用高效高速的650V IGBT，以满足这些场景中的需求。

英飞凌新一代650V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7产品采用最新的微沟槽栅技术，相比前代产品整体损耗可减少39%，同时配备新一代全电流的发射极控制EC7续流二极管，具有更好的EMI表现。此外，该器件还具备出色的防潮性能，可在恶劣环境中可靠运行，且已通过JEDEC 47/20/22的相关测试，特别是HV-H3TRB测试，符合工业应用标准，非常适合户外应用的户用单相光储逆变器。

对于5kW、8kW至10kW功率等级的Heric单相光伏逆变器，可选用相应的IKWH40N65EH7和IKWH75N65EH7产品，DC-AC级转换效率均可达到98.5%，而T5/T6、D5/D6的损耗较小。在成本优化方面，根据具体需求考虑选择合适大小的器件。此外，英飞凌还提供了一站式的解决方案，包括驱动IC（如EiceDRIVER™ X3 Compact、2EDi family双通道隔离驱动系列）、微控制器产品（如XMC™、PSoC™系列）、以及用于测量和控制的XENSIV™系列电流传感器和AIROC™系列蓝牙wifi产品，以满足不同应用需求。

电路拓扑结构是什么

电路拓扑结构是指电路中电子元件之间的相互连接方式。开关电源常用的基本拓扑结构约有14种，每种拓扑结构都有其独特的特点和适用场合。一些拓扑结构适用于离线式（电网供电的）AC/DC变换器，例如小功率输出或多组输出场合。有些拓扑结构在相同输出功率下使用器件较少，或在器件数与可靠性之间有较好的折中。输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑结构时需要考虑的因素。

电路拓扑是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，AC/DC和DC/DC的电路拓扑结构是一样的，AC经过整流滤波后就是DC270V了。主要的拓扑结构包括反激、单管正激、双管正激、半桥、全桥和LLC谐振。

两电路有相同的拓扑结构意味着它们的连接方式相同。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化。

拓扑电路是指电路的组成架构。例如，要完成AM广播信号的声音还原，可以采用直接接收、放大、检波滤波来还原声音，也可以采用超外差接收、放大、检波滤波来完成。这就是两种拓扑电路。

电路拓扑是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化。

拓扑结构的开关电源拓扑随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多，常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中，半桥电路中，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

拓扑结构的逆变器是指目前采用的逆变器拓扑结构，包括全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、推挽逆变拓扑、正激逆变拓扑、反激逆变拓扑等。拓扑结构的选择和逆变器额定输出功率有关。对于4kw以下的光伏逆变器，通常选用直流母线不超过500V，单相输出的拓扑结构。

电路的拓扑结构是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化的。

什么是buck和boost电路呀！

1. 单管Buck-Boost电路是一种非隔离的PWM DC/DC转换电路，能够实现升压或降压（输出电压可以高于或低于输入电压）。在这种电路中，开关MOS管位于高端驱动，使得输出电压与输入电压的方向相反。该电路能够工作在Buck（降压）或Boost（升压）两种模式，其工作原理和时序较为复杂，需要单独分析。

2. 雹拍双管Buck-Boost电路同样是一种非隔离的升压或降压（输出电压可高于或低于输入电压）式PWM DC/DC转换电路。此电路的特点是输出电压与输入电压的方向相同，开关MOS管同时具备高、低端驱动功能。由于电路需要在Buck和Boost两种工作状态之间切换，这给硬件实现PWM控制带来了挑战。然而，通过软件控制（例如使用DSP），这种切换可以相对容易地实现，并且有助于减少工作状态切换时可能出现的稳定性问题。光伏逆变器通常采用这种电路拓扑结构。

一种应用于200kW+组串式光伏逆变器的IGBT模块方案

一种应用于200kW+组串式光伏逆变器的IGBT模块方案

针对200kW+组串式光伏逆变器，推荐采用基于ANPC（Active Neutral-Point Clamped）拓扑的IGBT模块方案，特别是英飞凌推出的F3L400R10W3S7F_B11模块。以下是对该方案的详细阐述：

一、拓扑结构选择

在1500Vdc系统光伏逆变器中，NPC1、NPC2和ANPC是三种主流的三电平拓扑结构。其中，ANPC拓扑由于所有器件都是低耐压器件，且可以通过优化换流回路以及损耗在不同器件上的均分来提高效率，因此被认为是最好的解决方案之一。特别是基于950V晶圆的NPC1和ANPC拓扑，更是被认为是当前的最佳选择。

二、ANPC模块的优势

与NPC1拓扑相比，ANPC拓扑在功率密度、损耗分布以及调制灵活性方面具有以下优势：

功率密度提高：ANPC拓扑通过增加两个IGBT（T5，T6），使得钳位二极管（D5，D6）的规格可以明显变小，从而有利于SiC二极管的应用。较小的SiC二极管可以降低成本，并提高系统的整体功率密度。损耗降低：ANPC的调制策略非常灵活，可以优化损耗在各管子上的分布。特别是在有功和无功情况下，都可以通过短换流回路换流，从而解决了长换流回路时由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大的问题。调制灵活性：ANPC拓扑的调制策略多样，可以根据实际应用场景进行优化选择。例如，在光伏逆变器中，可以根据功率因素和输出电压的变化来调整调制策略，以实现更高的效率和更低的损耗。

三、SiC二极管的应用

SiC二极管具有反向恢复电流小、损耗低、稳定性好等优点，可以显著提高逆变器的运行效率。在ANPC拓扑中，钳位二极管（D5，D6）采用SiC二极管可以进一步降低模块的损耗。与Si二极管相比，SiC二极管在反向恢复瞬间产生的电流非常小，因此拥有可以忽略不计的反向恢复损耗。同时，SiC二极管还可以降低反向恢复带来的噪音，起到降噪的效果。

四、F3L400R10W3S7F_B11模块的特点

F3L400R10W3S7F_B11是英飞凌推出的一款基于ANPC拓扑的功率模块，具有以下特点：

封装形式：采用EASY 3B封装，便于集成和安装。晶圆配比：内管（T2，T3）采用慢速低饱和压降的晶圆L7，外管（T1，T4）以及钳位管(T5，T6)采用高速晶圆S7，通过快慢速晶圆搭配的方式降低模块的损耗。调制策略：推荐采用四块两慢的调制方式，并可根据实际应用场景进行优化选择。在低电压穿越（LVRT）时，推荐采用改进的调制策略，以降低钳位二极管的电流和热应力。

五、调制策略推荐

为了充分发挥F3L400R10W3S7F_B11模块的优势，推荐采用以下调制策略：

四块两慢调制方式：在调制波上半周时，拓扑下半部分所有的管子（T3，T4，T6）都是关断状态；反之，负半周时，拓扑上半部分的所有管子（T1，T2，T5）都处于关断状态。内管（T2，T3）为工频切换，外管（T1，T4）以及钳位管(T5，T6)为高频动作。改进的调制策略：在正常工况下，可以自由选择四块两慢调制方式或改进的调制方式。但在低电压穿越（LVRT）时，强烈推荐采用改进的调制方式，以降低钳位二极管的电流和热应力。改进的调制方式下，T5和T6在整个工频周期内都是高频动作，形成两个零电平回路，有利于损耗在不同器件上的分布。

六、结论

综上所述，基于ANPC拓扑的F3L400R10W3S7F_B11模块方案是应用于200kW+组串式光伏逆变器的理想选择。该方案通过优化拓扑结构、采用SiC二极管以及合理的调制策略，可以显著提高逆变器的运行效率和可靠性。同时，该方案还具有易于集成和安装、成本低廉等优点，适用于大规模光伏电站的建设和运维。

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光伏漫谈4- 逆变器拓扑结构

光伏逆变器拓扑结构概述

光伏逆变器作为光伏发电系统中最关键的设备之一，其拓扑结构的选择对于系统的性能、效率和成本具有重要影响。根据功率等级、应用场景以及隔离要求的不同，逆变器拓扑结构呈现出多样性。以下是对几种常见光伏逆变器拓扑结构的详细解析：

一、工频隔离逆变器

工频隔离逆变器通过工频50Hz变压器实现源边和副边的功率传输。这种拓扑结构最为简单，仅需整流桥、滤波器和工频变压器即可。然而，由于50Hz工频变压器的体积较大，导致整个逆变器系统的体积和成本增加，因此在实际应用中很少使用。

二、高频隔离逆变器

高频隔离逆变器在微型逆变器中使用较多，为了降低体积和重量，通常采用高频隔离的拓扑结构。以下是三种常见的高频隔离微型逆变器：

带有直流母线的隔离全桥逆变器

这种拓扑结构具有中间直流母线，变压器源边的整流与副边的逆变器可以解耦分别调整。然而，该架构使用的功率器件较多，且需要高压直流母线电容进行整流滤波，增加了系统的复杂性和成本。

伪直流母线的交错反激逆变器

伪直流母线拓扑实际上没有直流母线，通过交错反激结构将直流信号变换成正半周期的正弦波，再通过可控硅调整成全周期正弦波。该拓扑节省了大量高压电容，降低了系统成本，但效率相对较低，适用于小功率微型逆变器。

不含直流母线的串联谐振逆变器

这种拓扑结构同样不需要直流母线和高压电容滤波，变压器源边工作在零电压开通状态，效率较高。该结构不仅适用于光伏逆变器，还可用于户用储能逆变器。

三、非隔离的逆变器拓扑

非隔离逆变器拓扑结构省去了变压器，因此效率更高、体积更小、成本更低。然而，由于没有变压器隔离，可能存在零点偏移和直流分量等问题，需要采取相应的措施进行抑制。以下是两种常见的非隔离逆变器拓扑：

带有MPPT升压的2电平非隔离逆变器拓扑

这种拓扑结构通过带有单路或多路MPPT并联到直流母线，再通过2电平逆变结构实现组串式逆变器。为了消除直流分量，可以采用交流或直流旁路方式。

带有旁路二极管的BOOST双模式非隔离逆变器拓扑

该结构设计巧妙，BOOST电路不仅将PV输入升压成DC电压，还直接升压到工频信号。通过BOOST和逆变两种模式交替工作，可以实现完整的正弦输出。

四、组串式逆变器NPC拓扑

组串式逆变器在光伏系统中应用广泛，NPC三电平逆变器是其中一种常见的拓扑结构。NPC三电平逆变器具有效率高、谐波小等优点。以下是三种NPC三电平逆变器的变体：

I型NPC三电平逆变拓扑

I型NPC三电平拓扑结构相对简单，但存在内外管开关损耗不平衡的问题。

ANPC三电平逆变拓扑

ANPC三电平拓扑通过将两个二极管更换成IGBT，实现了内外管开关损耗的平衡。然而，该拓扑控制较复杂，开关管也较多，系统成本和体积较大。

T型NPC逆变器拓扑

T型三电平拓扑同样使用4个IGBT功率管，但其中处于中性点的是一对背靠背连接的IGBT。该拓扑结构开关损耗平衡，效率高，但功率管的耐压需要与母线电压相同，适用于低压系统或需要更高耐压功率管的实现。

总结而言，光伏逆变器的拓扑结构多种多样，每种拓扑结构都有其独特的优点和适用场景。随着功率器件开关特性和耐压的提升，以及学术界研究的深入，未来仍将有更多逆变器拓扑结构衍生出来，进一步提升应用效率、降低体积和成本。

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