随着高效和高可靠性光伏(PV)系统市场需求的增长，设计人员正面临着许多挑战。最突出的是提高光伏逆变器的效率。如今通过系统各级新技术与拓扑的实施将有助于提高光伏整体系统效率，而其中以新的逆变器拓扑与开关技术、最大功率点跟踪和用现场编程门阵列(FPGA)技术及微逆变器SoC方案等为重点对实现提高光伏(PV)系统的效率作研讨。
为此应先对光伏逆变器系统的组成述起。应该说，PV逆变器系统通常有两个主要的组成部分：用于实施系统管理任务和控制算法的控制器，以及AC至DC转换电路。而控制器的特性取决于PV系统的类型和结构以及功能需求。
1 DC至AC转换电路实施的新逆变器拓扑技术
所有光伏系统的中心就是控制控制器。控制器的一个重要职责就是运行控制和能源管理算法，比如最大功率点跟踪(MPPT)、脉宽调制(PWM)和功率因数校正(PFC)。除了严苛的计算需求，这些算法会对电源效率产生显著影响。而DC至AC转换电路是将来自太阳能电池板的原始DC电力转换为符合公用电网的电压和电力质量要求的清洁的AC电力。该转换通过使用一套开关功率器件来完成，比如MOSFET或IGBT。在采集太阳能时，转换器的效率是至关重要的，电路效率取决于所使用的拓扑和类型以及所使用元件的工作特性（例如，半导体开关器件、磁性元件和电容器）。在逆变器电路中，这些开关和传导损耗应该通过使用高效的逆变器拓扑，连同能够运行在高频下而损耗最小的半导体开关和驱动电路来实现损耗最小化。
当今两种逆变器拓扑已经实现了更高效率，可用于并网集中式逆变器。其一是常用的高效、可靠的逆变器拓扑；其二是新型的多电平逆变器，见图1所示。
从图1可知，通过在输出端附加一个额外的开关和二极管对，使得输出电感从输入电容中解耦，可以减少高效、可靠的逆变器的损耗。图1显示了瞄准更高电压功率应用的三级集中式逆变器拓扑，该新拓扑比它的传统对应物更复杂，最重要的差异是每个开关只有50％的电压应力。这个减少意味着可以使用电压降低很多的器件，从而带来较高的效率和较低的产品成本。而且，还可以减小电磁干扰(eEMl)水平和输出滤波器的尺寸，从而降低总体系统成本。
2 碳化硅(SiC-siliconcarbide)功率晶体管应用于开关技术
2.1 新型碳化硅(SiC-)功率晶体管的应用 
SiC（碳化硅）功率器件的呈现，它的引入为提高可再生能源系统逆变器的可靠性与效能开拓了新途径，以至于许多太阳能设备制造商纷纷开始转向这一技术的应用。当前，着眼于创建用于风能和太阳能电厂的固态电力变压器和大功率逆变器。在电源中使用基于SiC的功率晶体管，可将效率从最高80％的范围提高到最低90％的范围。已有报告称基于SiC的太阳能逆变器的效率达到了99％。值此对SiC（碳化硅）功率器件在太阳能系统逆变器电路中应用并以1200V SiC肖特基二极管用在太阳能系统逆变器电路中以取代DC链升压电路所使用硅(Si)PIN设计为例作说明。
众所周知，太阳能板收集太阳能能量，将其转换为正向DC电压。该电压随太阳能板上接受的太阳光的光强而变化。利用高频下的升压式转换器开关，该电压可以提升至一个固定的DC电压。SiC肖特基二极管可以消除升压二极管的开关损耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的导通损耗。这将显著提高升压电路的效率（参见图2 SiC肖特基二极管在太阳能系统逆变器电路中应用示意图所示）。然后当一个逆变器将固定DC电压变成固定频率的AC电压时，SiC肖特基二极管可以消除这部分电路中的续流二极管的开关损耗，同时可以降低IGBT导通损耗，逆变器效率也就随之显著提高了。图2中，左边的电路显示采用传统Si PiN二极管、带缓冲电路（虚线框）的复杂的逆变升压电路，而右边的电路则显示了采用SiC二极管的升压电路（见图2右图的园形所示），没有恢复电流就无需缓冲电路，使逆变器电路变得更加有效简单。
其10A 600V SiC肖特基与10A SI等效元件的Vf与If器件特性的对比，SiC器件的温度是独立的，而且没有反向恢复电流。
上述基于碳化硅二极管（SiC肖特基）逆变器典型的平均效率接近96％。利用一个更加有效的系统，太阳能板提供的能量可以更有效地转换为可用电能。采用SiC器件，逆变器的平均效率有可能提高到97.5％。这相当于减少了25％的逆变器损耗。考虑到太阳能系统至少需要工作30年，即意味着在节约能源方面有相当大的改进，通过降低温度，系统也将具备更高的可靠性。
基于SiC的功率晶体管的较高开关频率超出了许多基于微控制器的PWM电路的性能。如今，还可应用基于FPGA~PWM电路，以应对所需要的较高频率，而且由于具备可编程的特性，允许相同的控制电路用于基于硅和SiC的功率晶体管。
2.2 应用具有最小功率损耗的功率开关器件是趋势
新款1200伏Z-Rec™碳化硅肖特基二极管系列能够以更低的成本和更高的性能实现功率转换应用。Z-Rec碳化硅肖特基二极管反向恢复特性为达到降低50%硅二极管的开关损耗。他们还具有一致的切换性能穿越整个温度范围，从而简化了电路设计，减少了需要复杂的热管理。如果可以配合新型1200V碳化硅功率MOSFET，这些碳化硅肖特基二极管实施所有碳化硅型电力电子电路相比传统的硅二极管和IGBTs的开关频率要高出4倍。这使得减少尺寸，复杂性和成本逆变电路，实现极高的系统。
应用具有最小损耗的各种功率开关器件，使开关系统设计能够达到新的效率和功率密度水平。最小功率损耗不仅可以节能，而且增强了系统可靠性，使得系统更紧凑和更便宜。例如，600VCoolMOSC6器件具有高压超级结技术，传导损耗和开关损耗极低。超级结MOSFET具有很低的输入电容并允许在数百kHz范围内进行高频运作，在高输出功率下具有可接受的传导损耗。[page]
3 最大功率点跟踪(MPPT)技术的更新
光伏最大功率跟踪系统(MPPT)面临的困扰。目前市场上光伏系统一般都安装了太阳能最大功率跟踪系统，但很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽都会导致系统造成“失配”，而发电量的大幅下跌，即其中太阳能某一阵列受损将直接影响到其输出，造成能源浪费。于是如何消除“失配”，提高光伏发电系统最大功率跟踪问题已经成为制造厂商与用户迫切解决的热点问题。
3.1 集中式光伏最大功率点跟踪系统(CMPPT)的缺陷与分布式光伏最大功率点跟踪(DMPPT)系统方案的应用
集中式光伏最大功率点跟踪(CMPPT)系统主要的缺陷是电池板被遮蔽阴影现象是在住宅、商业或者公共事业中应用的PV系统电池板阵列常迂到的问题。在存在局部阴影的情况下，电池板不匹配将成为最大的问题，因为参数不统一，局部阴影将导致阵列的不同电池板具有多个最大功率点(MPP)。采用集中式MPPT时，可能会导致更多的不均匀损失，会产生一条具有多个峰值的V-P电气曲线，即出现高直流电压点与低直流电压点。高直流电压点时的最大功率点跟踪使未遮蔽组阵列的输出功率达到最大；而低直流电压点时的最大功率点跟踪将使遮蔽组阵列的输出功率达到最大，其旁路二极管绕过遮蔽电池板，则该组阵列的未遮蔽电池板将提供全量电流。从而造成最大功率点跟踪系统可能得到错误信息停止在局部最大点处，并稳定在具有V-P特征的次优点上，会导致集中最大功率点跟踪(MPPT)配置的额外损失。据估算，光伏阵列因被遮蔽少量面积会导致25％到50％的功率损失。
面对这挑战的应对是采用太阳能分布式能最大功率跟踪(DMPPT)系统的方案，该方案的特点是采用并联方式，每组太阳能电池板独立工作，分别对蓄电池充电，由此解决因最大限度消除或降低被遮蔽少量面积而导致系统功率额外损失的问题。从而导出基于分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT) 技术的新型技术芯片IV0300型应用方案。同时又开发出新的MPPT的算法。
新设计的太阳能路灯采用了基于(DMPPT)技术的IV0300型芯片，其系统架构见图3系所示。
从图3所知，此分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT)应用于太阳能路灯系统系统包括6大部分：光伏模块组件（太阳能电池板）、IV0300型芯片分布式太阳能最大功率跟踪(DMPPT) IV0300型芯片、蓄电池(1000AH)，微处理器(MPU)，DC-DC直流电源转换 、LED路灯(30W-50W)。在此系统中太阳能给蓄电池充电通过分布式最大功率跟踪(DMPPT) 技术进行控制，即采用并联方式，每组太阳能电池板独立工作，分别对蓄电池充电。蓄电池通过直流电压转换芯片，得到满足路灯点亮所需电压和微处理器工作电压。微处理器控制路灯的开启关闭和电池的选择。采用的是光控开，定时关。当夜幕降临时，微处理器通过检测光强启动LED自动点亮，点亮—定时间后，其内部定时器控制LED自动关闭，有效做到节能降耗。点亮时间一般设定为6-10小时，这受区域限制。一般南方地区设定为6-8小时，北方地区设定为8-10小时。此系统设定的为10小时，该系统采用的是大容量蓄电池小功耗照明，一次充电满后，可以连续工作7天，且避免了在使用过程中造成蓄电池过放电而损坏其使用寿命。另外由于使用了IV0300，整个系统在晚上关闭前，即光强较弱时，还能工作，继续充电。
现有2种可用于MPPT的算法：其一是扰动观察法，电压或电流会改变，直到获得最大功率输出。此技术的优势是简单，然而，假如光强度改变太过迅速或改变步长太大，便容易受到振荡的影响；其一是增量电导法，电压和电流以小步长变化，通过计算和保持功率点将会移动的方向的控制回路，不断地计算和比较瞬态和增量电导。该技术的优势是，它可达到并保持MPP，不会因为振荡而损失效率。通常，此算法跟踪比扰动观察法更准确。该方法的缺点是增加了计算要求，假如算法采用软件来实施（例如在微控制器中），将会需要较长的反应时间来改变工作条件。
4 可现场编程门阵列(FPGA)技术与技术实现逆变器系统
4.1 DSP的应用其效率会非常低
在传统上已经使用各种处理器来实施PV逆变器，包括微控制器和数字信号处理器(DSP)。当仅执行普通的DSP任务时，应该说DSP是有优势的。但在指令和数据的传送和解码中，其大量的空间和能力被浪费了，硅器件仅有一小部分被用于实际计算。最终效果是，当实施基本的系统控制功能时，DSP的效率会非常低。
随着在FPGA技术继续增长，包括成本的改进、更高的性能、增加的编程灵活性，以及增加的系统门容量，在相等的价格范围内，基于FPGA的定制控制器现已胜过微控制器、DSP和ASIC。例如可用高性能、低成本的Spartan-3 FPGA实现的DSP嵌入系统。因Spartan-3 FPGA成本较低的与具有完整的密度范围及独特的交错排列I/O引脚技术。
4.2 FPGA的应用
FPGA为PV设计提供了细微控制，带来了高度优化的解决方案，并允许他们创建定制功能，比如PWM、MPPT和PPC算法，适应于它们的特定应用要求。某种程度上，这是由于硬件和软件两者均可在极低的成本上进行定制。而且，基于闪存的FPGA可在任何时候再次重新编程，不仅减少了开发成本，而且允许在现场进行升级和修补漏洞。通常，使用FPGA可以增加可靠性和稳健性，通过 现场升级和扩展来增加灵活性，并改进可测试性。
5 基于片上系统(cSoC-Configurable System On Chip)的PV微逆变器
先进PV逆变器的大部分控制主要为信号处理。采用cSoC内的可编程结构，通过使用硬件加速技术，可增加计算能力，实现在嵌入式微控制器中无法切实实现的任何所需的DSP功能。实质上，通过FPGA结构的高度并行的特性来完成运算处理。通过使用片上系统(cSoC)平台，可进一步增强PV微逆变器系统的设计和性能，该平台结合了可编程序逻辑与嵌入式控制器和可配置模拟部件。将板级元件集成在单一的单片IC中有许多优点，包括由于省去板级连线而降低成本、减少功率耗散和通过避免板上联机来缩短电路延迟。通过避免板上器件连接所需的长连线，可避免许多其它问题，比如寄生振铃和振荡。传统微逆变器约内含两百五十颗零组件，采用微逆变器SoC后，零组件数量将可大幅缩减，有助降低微逆变器成本。在体积、功耗双降下，微逆变器SoC亦可扩大至可携式与独立型离网系统等其他太阳能应用领域。
片上系统(cSoC)则允许设计人员方便选择在何处及如何最好地实施控制功能，是在硬件中还是软件中，或两者都采用。
由此分析，实际上就是回答了为什么要采用可现场编程门阵列与cSoC技术来实施逆变器系统之根本。
6 后话
上述是通过PV系统主要各级以采用新的技术或拓扑及其芯片所呈现效率的提高，从而达到提高PV系统总效率并减少成本的目的。然而作为PV系统安全可靠运行的前提，其关键是必须应用好隔离技术。为此应采用集成隔离技术在并网PV逆变器中的应用。（基本架构见图4所示）。
图4为根据集成隔离关键技术方案设计思想所构成的3级集成技术的隔离基本架构。
首先在此需要说明的是，对微逆变器的特殊应用需求来说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，还应该实现电气隔离；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。根据上述集成隔离关键技术方案设计思想可构成图4的3级集成技术的隔离基本架构。其图4的3级集成技术的隔离基本架构为：第1级是一个可选的升压转换器，用于提高电池板电压，该电压然后再通过隔离dc-dc转换

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