聊聊逆变器：进军绿色能源市场，你绕不开的技术门槛！

来源：贸泽电子

生活中我们常见的电源转换以DC-DC、AC-DC居多，随着绿色能源的发展，将DC转换为AC的应用逐渐多了起来。例如，在并网太阳能系统中，太阳能电池板产生直流电，而交流电在输送过程中可以实现高效的能量分配，更适合长距离输电，因此，借助DC-AC转换技术，方可顺利实现太阳能与现有电网的并网发电。

将DC转换为AC的重要性

直流-交流转换器（也被称为“逆变器”）主要有三个特点：

一是它们允许为交流电源设计的设备与直流电源（如电池）一起使用。这对于便携式电子设备或离网电力系统特别有用。

二是转换器使产生的电力能够与产生直流电的电力系统中的传统交流设备一起使用，例如太阳能电池板或风力涡轮机。

三是它们为电力系统提供了灵活性，允许不同类型的电源和负载一起使用。

在许多情况下，我们需要将直流电转换为交流电。

01、在可再生能源系统中，太阳能电池板产生的是直流电，为了实现与公共电网的并网发电，需要经过逆变器将直流电转换为交流电。

02、在家用和办公环境中，因大多数家用和办公设备如电视、电脑、冰箱、空调和其他设备都使用交流电，若使用电池或太阳能电池板等直流电源，同样需要将直流电转换为交流电才能运行这些电器。

03、在不间断电源（UPS）的应用中，UPS常用于在停电时为计算机和其他敏感设备提供电源备份，因这些设备大多使用交流电，而UPS中的电池提供的是直流电源，故在使用中UPS的输出也需要转换成交流电。

逆变器中的主要组件

为了将直流电转换为交流电，逆变器是必不可少的设备。逆变器的关键部件包括逆变器、H桥电路和晶体管，所有这些都在转换过程中发挥着至关重要的作用。

逆变器是一种复杂的设备，可以将电池或其他电源的直流电转换成大多数电器所需的交流电，而H桥电路和晶体管则控制着电流的流动和方向。逆变器通常利用某种形式的H桥电路来改变直流电的极性。在大多数情况下，需要放大较低电压的直流电流，以匹配其将提供的交流电压。下面我们就来看一下H桥的工作原理：

如图1所示，H桥由四个开关组成，这些开关可用于通过H形电路切换负载的极性，因此电流可根据开关方向沿任意方向流过。


图1：一个简单的H桥电路可以用来有效地切换直流极性（图源：网络）

一个基本的H桥可以提供特定频率的交流电，但功率输出的波形与电网应提供的波形不同。

当直流电源极性通过H桥切换时，产生的波形为方波。对于一些应用，只要频率在适当的范围内，方波形状的交流电也是可以使用的。不过，对于更敏感的电气设备和AC电机的操作来说，方波可能是有问题的，甚至会损坏设备。这些敏感电子设备只能使用纯正的正弦交流波才能正常工作并保证使用寿命。

由于基本H桥在技术上只向前或反向切换电压，因此在没有添加组件的情况下，它们无法直接输出正弦波形。逆变器产生的三种最常见波形分别是方波、改进型正弦波和纯正弦波，每个逆变器的成本与它们能实现正弦交流波形的程度直接相关。根据可以产生的交流电类型逆变器分为三个类型：

01 方波逆变器

方波逆变器是一种输出波形为方波的DC-AC转换器，通过H桥快速切换直流输入电压来产生交流电。这种类型的逆变器通常用于低功率应用，如为笔记本电脑、智能手机和电灯等小型电子设备供电。方波逆变器不适用于需要纯正弦波输出的敏感设备，因为它们会将谐波和失真引入到电气系统中。方波逆变器是最简单的逆变器设计，与其他类型的逆变器相比，低成本和较高的效率是它的特点。

02 改进型正弦波逆变器

改进的正弦波逆变器使用H桥电路和高速开关来产生一个阶梯状波形，其形状更接近正弦波，但仍然不是完全的正弦波。与纯正弦波逆变器相比，改进的正弦波逆变器更具成本效益。对于许多应用，这种类型的交流电源是可接受的，并且可以与大多数电子设备和电机应用一起使用。即便如此，当由改进的正弦波逆变器供电时，一些电气设备仍然无法有效运行，甚至可能损坏。

03 纯正弦波逆变器

纯正弦波逆变器的工作原理与改进型正弦波逆变器相同，但需要额外的电子元件来细化和平滑波形，从而产生与公用电网平滑一致的正弦波，这个额外的电子元件就是LC电路。一个基本的LC电路由电感器（L）和电容器（C）组成，它们可以作为电谐振器来将阶梯状波形平滑成电网中的正弦波。与改进型正弦波或方波逆变器相比，纯正弦波逆变器产生的电力提供了低总谐波失真（THD）的高质量电源，适用于所有类型的电子设备和电器，但转换效率可能要低于其他类型的逆变器。

选择合适的逆变器设计方案

逆变器的效率主要取决于设计方法和质量。高质量的转换器效率大约为85-90%，由于系统中存在的热量、布线和其他电子部件，有可能会导致一定的能量损失。因此，选择合适的逆变器对于电气系统的高效运行至关重要。以下是做出决定时需要考虑的一些重要因素：

功率要求和负载容量。确定设备的功率要求，并确保转换器能够处理最大负载，选择与电力需求相匹配的转换器以避免系统过载或利用不足很重要。

转换器的效率。评估各种转换器的效率额定值，寻找具有更高额定效率的转换器，才能确保最佳的能量转换。

与特定应用需求的兼容性。不同的应用可能对其电源有特定的要求。例如，一些应用可能改进型正弦波输出就能满足需求，而另一些应用可能需要纯正弦波输出。转换器的选择要能够在合理成本基础上兼顾各种应用需求，避免出现兼容性的问题。

下面我们就以太阳能逆变器为例来聊一聊怎样才能找到一款合适的逆变器设计方案。

太阳能逆变器是太阳能光伏系统的重要组成部分，它可将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，用于为我们的家庭和企业供电。通过有效的能源转换，太阳能逆变器在最大限度地提高能源生产和确保与电网无缝集成方面起着关键作用。根据应用，市场上既有家用的几瓦和几千瓦的逆变器，也有商用和电站级大型项目使用的几兆瓦的大型太阳能逆变器。根据实现拓扑，光伏逆变器又可分为微型逆变器、组串式逆变器或集中式逆变器等。通常，单台逆变器功率为5KW到200KW，将逆变器并联后，总功率可达到20MW。

组串式逆变器基于两级电路转换。首先，DC / DC变换单元将可变直流电压转换为固定直流电压，同时通过最大功率点追踪（MPPT）技术从光伏板中提取最大功率。然后，DC / AC变换单元将直流电转换成与电网兼容的交流电。大部分逆变器采用无变压器或非隔离变压器设计。一般而言，两电平拓扑或三电平拓扑（三相组串式）都可用于光伏系统实现功率转换，然而三相组串式因效率更高更受市场欢迎。

由英飞凌公司提供的三相组串式逆变器设计方案支持高达200KW的功率，产品中包含英飞凌CoolSiC Easy模块和三电平Easy模块，可实现出色的功率密度和高制造便利性。Easy模块包含EasyPIM、EasyPACK和EasyDUAL，涵盖600V/650V/1200V电压，6A至200A电流的全功率范围。在工作过程中，所有功率开关都需要与之配合的栅极驱动器，而所有栅极驱动器都需要相应的控制。为此，英飞凌还为逆变器设计方案提供了相应的EiceDRIVER栅极驱动器以及XMC微控制器。


图2：三相组串式逆变器系统框图（图源：Infineon）

集中式逆变器通常基于单级功率转换，大部分逆变器采用变压器设计或隔离变压器设计。在直流转交流阶段，可变直流电可以转换成与电网兼容的交流电，额定功率从600 KW到3,000KW不等。

英飞凌提供的单台集中式逆变器额定功率高达1,000KW，将多台逆变器并联起来，可实现3,000KW的逆变解决方案。方案中的相关产品包括EconoDUAL3模块和62mm模块。其中，EconoDUAL 3主要面向中等功率应用，采用了先进的 TRENCHSTOP IGBT7或IGBT4技术，支持600V / 650V / 1,200V和1,700V电压等级，从100A到900A的完整电流范围。

为了满足光伏逆变器的市场需求，英飞凌还推出了带有标准半桥和共发射极配置的600A / 1,200V 62mm模块，这些模块的电流密度增加33%，有助于大幅提高逆变器系统的功率密度。62mm模块既有650V电压下300A - 400A的电流范围，也有1,700V电压下150A - 600A的电流范围可供选择，确保逆变器的成功设计。


图3：集中式逆变器系统框图（图源：Infineon）

结语

交流电是大多数住宅和商业建筑中使用的标准电力形式，逆变器在为这些设置中的各种应用提供AC功率方面起着至关重要的作用。对于依赖于太阳能电池板或风力涡轮机等绿色能源的应用而言，高效的逆变器是不连接到主电网的这些离网电力系统中的重要组件，市场呈现稳步增长的趋势。

据Business research insights预计，2021年，全球储能直流和交流电力转换系统（PCS）市场规模为8.64亿美元，预计到2031年，市场规模将达到11.57亿美元，预测期内复合年增长率为27.37%。随着电子技术的普及以及可再生能源的增加，逆变器已成为当今电气系统的重要组成部分，在满足世界不断变化的能源需求多样性方面其作用越来越突出。