Heric電路原理與器件選型

非隔離型單相并網(wǎng)逆變器由于其體積小效率高等特點廣泛應(yīng)用于小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)（2-10kW），但由于并網(wǎng)系統(tǒng)不含變壓器且光伏電池板等對地存在多處分布電容，功率器件在高頻開關(guān)時，在光伏電池板、逆變器、電網(wǎng)間形成共模電流。

非隔離型并網(wǎng)逆變器共模電流回路示意

為了保證人員和設(shè)備安全，對地漏電流必須要抑制在一定幅值范圍，常見的兩種優(yōu)化策略為：

1、采用相應(yīng)的調(diào)制策略，使得逆變器交流AC端口輸出的共模電壓(VAN+VBN)/2為恒值。

2、直流側(cè)或交流測解耦，電流在逆變器和電網(wǎng)之間環(huán)流時，切斷光伏電池與電網(wǎng)的連接以使得逆變器輸出共模電壓基本保持不變。

對于H橋拓撲，采用雙極性PWM調(diào)制時，不同開關(guān)模態(tài)時共模電壓穩(wěn)定在VDC/2。這樣就滿足上述對策一，可以很好抑制共模電流，但由于T1-T4在一個工頻周期內(nèi)均為高頻工作，開關(guān)損耗較大，且由于輸出PWM電壓幅值在-VDC和+VDC之間跳變，相較單極性PWM調(diào)制時，所需的濾波電感感值也會更大。

為了兼顧效率與共模電流的抑制，一般采用對策二，幾種改進型的單相并網(wǎng)拓撲被提出。H5拓撲只增加一個功率器件（圖1），可實現(xiàn)輸出共模電壓的相對穩(wěn)定，但效率一般，T5在整個工頻周期內(nèi)高頻動作，發(fā)熱較多。H6電路增加四個功率器件（圖2），其中包含兩個續(xù)流二極管，可抑制共模電流問題，效率不錯，但增加器件成本較多。Heribert Schmidt等學(xué)者提出了Heric拓撲（圖三）。

圖1 H5電路拓撲

圖2 H6電路拓撲

1、Heric電路原理

Heric電路只增加兩個功率器件T5/D5與T6/D6，濾波電感續(xù)流時，T5/D5與T6/D6提供雙向電流通路，從交流測斷開光伏電池板與電網(wǎng)的連接，可控制輸出共模電壓相對穩(wěn)定，且效率相較H5，H6拓撲更高，被廣泛應(yīng)用。對于Heric電路，功率因數(shù)為1時，T5與T6以工頻開關(guān)動作，正半周期，T1與T4高頻開關(guān)，關(guān)斷時通過T6與D5續(xù)流，負半周期同理，T2,T3與T5,D6換流。整個開關(guān)模態(tài)，逆變器AC端口共模電壓Vcn輸出情況如下表，基本穩(wěn)定在VDC/2。

圖3 Heric電路拓撲

當(dāng)Heric電路需要向電網(wǎng)注入無功電流時，T5,T6也需要在輸出電壓電流反向區(qū)間內(nèi)分別高頻開關(guān)，例如在輸出滯后無功電流時，V>0,I<0階段（規(guī)定電流流出H橋為正），T1-T4均關(guān)斷，T5導(dǎo)通，電感電流通過T5,D6續(xù)流，T5關(guān)斷時，電感電流通過D1,D4流通，此時交流端口輸出共模電壓Vcm=0.5*(VDC+0),V<0,I>0時，工作機理也是類似的，T6,D5與D2,D3換流。

2、器件選型

圖4 650V H7產(chǎn)品特性

在單相戶用光伏逆變器應(yīng)用中，小體積低噪音通常是產(chǎn)品賣點之一，這既可降低設(shè)備安裝要求，也可在運行期間減少對客戶的環(huán)境干擾，因此較高開關(guān)頻率是功率半導(dǎo)體器件需求之一，另外更高的效率，更好的可靠性也是此場景中產(chǎn)品所需具備的重要特性，這可為客戶帶來長期穩(wěn)定的經(jīng)濟效益，另外單相光伏應(yīng)用中，電網(wǎng)電壓通常為220/230VAC，逆變器的母線電壓在350-400VDC左右，綜上，高效高速的650V IGBT非常適用于該應(yīng)用。英飛凌新一代650V TRENCHSTOP? IGBT7 H7產(chǎn)品采用最新微溝槽柵技術(shù)，在圖四的條件中，整體損耗相較前代可減少39%，同時配備全電流的新一代發(fā)射極控制的EC7續(xù)流二極管，反向恢復(fù)特性更軟，帶來更好的EMI表現(xiàn)。

此外，650V TRENCHSTOP? IGBT7 H7具有出色的防潮性能，可在惡劣環(huán)境中可靠運行。該器件通過了JEDEC 47/20/22的相關(guān)測試，特別是HV-H3TRB，符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準，非常適合戶用單相光儲逆變器的戶外應(yīng)用。650V H7系列產(chǎn)品電流等級為40A-150A，提供四種不同類型的封裝。

圖5 650V H7產(chǎn)品目錄

針對5kW/8kW/10kW這三個功率等級的Heric單相光伏逆變器進行仿真，條件如下：

對于5kW Heric光伏逆變器，可選用IKWH40N65EH7，DC-AC級轉(zhuǎn)換效率可達98.5%，最高結(jié)溫不到120℃，實際應(yīng)用中可嘗試進一步提高開關(guān)頻率以提升功率密度。

5kW Heric電路仿真結(jié)果

對于8kW-10kW Heric光伏逆變器，IKWH75N65EH7可覆蓋此功率段，DC-AC級轉(zhuǎn)換效率可達98.5%，T5/T6，D5/D6損耗較小，也可考慮選擇小一號器件來優(yōu)化成本。

8kW Heric電路仿真結(jié)果

10kW Heric電路仿真結(jié)果

另外，對于單相光伏系統(tǒng)，除了主電路功率器件以外，英飛凌還提供一站式的解決方案，包含驅(qū)動IC, 如EiceDRIVER? X3 Compact，2EDi family雙通道隔離驅(qū)動系列均非常適用于此場景應(yīng)用，同時英飛凌也提供微控制器產(chǎn)品，XMC?以及PSoC?系列可滿足不同應(yīng)用需求，XENSIV?系列電流傳感器以及AIROC?系列藍牙wifi產(chǎn)品也被廣泛應(yīng)用，大家可掃描下方“二維碼”或點擊文末“閱讀原文”，前往英飛凌官網(wǎng)應(yīng)用詳情頁面配置系統(tǒng)，獲得個性化周邊器件推薦。

圖6 單相光伏逆變器產(chǎn)品選型工具

參考閱讀

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)簡介

微型逆變器綜述與英飛凌解決方案

MPPT常用拓撲原理與英飛凌實現(xiàn)方法