摘要：  太阳能做为绿色能源其发展越来越迅速，各国也在竭力推广，未来必将成为人类电力能源的主要来源之一。本文主要介绍了太阳能逆变系统的构成、拓扑分类，并重点从设计、材料和应用方面介绍了太阳能逆变器中的各种磁性元件特性及发展。

关键字：  太阳能，逆变器，磁性元件

0 引言
随着地球上传统能源（石油、煤和天然气）的日渐枯竭和人类环境保护意识的逐步增强，近年绿色能源的发展越来越受到世界各国的重视。所谓绿色能源主要是指太阳能、风能、潮汐能和地热能等，其中除了太阳能在全球分布比较广泛以外，其他绿色能源都由于受制于条件限制而不能大范围推广。所以光伏发电技术现在被世界公认为是未来最有前途的能源解决方案。
最近几年随着光伏电池的发展，其光伏转换效率正在逐步提高且价格也在逐步下降，加上各国的光伏发电补贴政策作用（设备安装和上网电价补偿）影响，现在世界上从政府到民间安装光伏发电系统的积极性都非常高，德国、西班牙、美国和日本的发展比较成熟，装机容量也最大，其他新兴国家如意大利、法国和中国也正在大力发展。
1 光伏发电系统构成
光伏发电系统主要由光伏电池、升压电路和逆变器等组成，如图1所示。离网系统还需要包含储能电池和双向DC/DC充放电电路，并网系统还需要包含双向电表、漏电流侦测和转换开关等。
光伏发电的并网原理如图1 所示。太阳能电池阵列首先通过Boost升压电路将不稳定的电压升到一个稳定的Bus电压，然后再通过正弦波逆变器向电网传送电能，逆变器馈送给电网的电力由阵列功率和当时当地的日照条件决定。逆变器除了具有直流— 交流转换功能外，还必须具备光伏阵列的最大功率跟踪功能(MPPT)、反孤岛效应及各种保护功能。
太阳能光伏发电离网系统主要用于无电或缺电的边远地区，作为独立的电源给家用电器及照明设备供电。随着电力紧张、环境污染等问题的日趋严重，与公用电网并网运行的太阳能发电系统已显出越来越大的竞争力。光伏发电的并网运行，将省去独立光伏系统中的储能环节—蓄电池，从而大大减少了电站的建设和维护成本。对于家庭住宅而言，配备光伏发电系统，可缓和白天电力紧张的局面，提高电网功率因数和降低线路损耗。随着光伏发电与建筑的有机结合和光伏电站的微型化，未来光伏发电在人类可利用能源中的比例将会越来越高。
2 太阳能逆变器拓扑分类与特性
太阳能逆变器的电路拓扑分类非常多。可以按照有无隔离变压器分类，或者按照变换级数分，也可以按照输出相数分。其中隔离变压器按照工作频率又分为高频隔离与工频隔离，同时还要看隔离变压器是否具有升压的功能；高频隔离变压器主要应用在DC/DC的升压环节，低频隔离变压器有些也肩负升压和调压的功能。隔离变压器由于无直流谐波干扰、太阳能电池板可直接接地、无直流漏电流等优点在某些国家是强制配置的。但由于低频变压器体积大、效率低、成本高等缺点，目前市场上逐步以高频隔离变压器取代低频隔离变压器。在无强制要求的国家，无变压器的太阳能逆变器由于体积小、成本低、效率高等优点，其使用率正在逐步提高。但是无变压器太阳能逆变器也存在电池板漏电（VDE标准有规定）和接地问题，对漏电问题一般采用漏电侦测器解决，接地的问题可以通过双Bus中点接地或其他办法来解决。
从变换器变化级数上来看有单级变换和多级变换，单级变换由于无升压稳压环节，所以所有压力都落在了逆变器上，对逆变器的设计、元件选型和控制都带来很大挑战；而多级变换由于有独立的升压和稳压环节，给后级的逆变环节设计带来很大便利，只是在效率上可能稍差一些。
3 太阳能逆变器中的磁性元器件
太阳能逆变器中的磁性元件主要包含EMC滤波电感、Boost升压电感、逆变电感、高低频隔离变压器、驱动变压器、互感器与（漏）电流传感器等。
3.1 低频隔离变压器
低频隔离变压器可以有效的隔离掉直流谐波，防止对交流电网造成干扰；也可以防止电池板的直流漏电流，方便电池板直接接地，对使用者和设备安全提供了有力保障；但是从图2中也可以明显看出，其体积大，效率低、成本也高，很难做壁挂机，主要以柜机为主，对于空间有限的用户来说就会有一点麻烦。低频隔离变压器除了隔离功能以外还有升压功能，甚至有些设计把调压的功能也做了进去，类似AVR变压器一样，方便了设计和一些参数的调整。其磁性材料主要以矽钢片和非晶为主。
由于低频隔离变压器一般要搭配电抗器一起使用，所以在实际设计中可以和变压器一起做一些磁集成设计。如图3(a)(b)所示，图3(a)是环形磁芯，原副边形成独立绕组，通过调节原副边的间距δ实现耦合系数和漏抗的控制，用漏抗充当电抗器作用；图3(b)是两个E形磁芯组合而成，其中原边绕组包络两个磁芯，而副边绕组只包络一个磁芯，可以通过调节磁芯的比例来实现对漏抗的控制。
[#page#]3.2 高频隔离变压器
高频隔离变压器也可以起到和低频隔离变压器相同的隔离和升压功能，但由于其工作于高频，所以体积和重量小了很多，成本也低了很多，效率上也更有优势。磁芯材质主要以铁氧体和非晶为主，设计相对要复杂一些。单体的功率不宜太大，但易于实现模块化分布式结构，特别适用于现在逐步流行的太阳能微逆变器。而且在使用了高频隔离变压器以后，夜晚电池也可以非常方便的从电网断开。
3.3 功率电感
功率电感主要在逆变系统中充当滤波和储能作用，从损耗的角度看，功率电感的损耗可能占到太阳能逆变系统总损耗的20~40%，所以其设计非常关键，如果设计不好极有可能成为提高效率的最大障碍。
目前其设计方案有如下几种：
(1) 磁芯采用超薄取向矽钢片电感，早期的太阳能逆变器电感这种方案比较常见。把矽钢片叠成砖块组合起来，并留有气隙起到抗直流作用，绕组可以使用立式扁平铜线绕法，这样可以减少层数。降低绕组损耗，如图5所示。但矽钢片不适用于高频工作，涡流损耗太大。
(2) 磁芯采用合金粉芯电感，粉芯形状可以是环形或方块形组合，由于方块形灵活性比较大，在大功率电感上上使用较多。由于粉芯是分布式气隙，不用担心高频下气隙处扩散磁通造成的涡流损耗；还有就是粉芯的软饱和特性，相对硬饱和的磁芯抗饱和能力更强一些；但也恰恰是粉芯的软饱和特性，导致其整个工作段内纹波电流相对大一些，对磁芯和绕组的损耗都有一些不利影响。方块磁芯的绕线柱可以适当改造成相同截面积的圆柱形，这样绕线用量可以减少11.6%左右，如图6所示，这样从成本和损耗都有一定的好处。粉芯材质主要以铁硅铝和High Flux为主，铁硅铝虽然损耗很低但由于直流偏置特性太差一般很少用，MPP由于价格问题市场更是少见。
(3) 磁芯采用铁氧体电感，铁氧体由于其独特的材料阻抗特性，其损耗在所有磁性材料中是最低的；但做为电感材料其必须增加气隙，甚至于设计成开磁路电感以满足抗直流性能要求，再就是其饱和磁通密度Bs太低，这也成为铁氧体的应用的最大限制。
铁氧体特别适用于小功率电感，所以如果是分布式微逆变器，铁氧体应该是电感设计的首选材料。对于铁氧体磁芯气隙处的扩散磁通造成的涡流损耗可以通过分布式气隙和气隙避让技术来做优化处理。对于开磁路的铁氧体电感（主要在大功率场合），设计和使用就会有很多细节需要关注，在感值设计上没有太多公式可以借鉴，主要依靠经验和仿真来设计；靠近磁芯端部绕组的设计也要注意端部效应的影响；外部磁场的互藕及干扰规避。如果各方面设计做的好的话，也会取得非常好的效率和电气特性。如图7所示的使用铁氧体电感的太阳能逆变系统，其是由德国Fraunhofer 太阳能系统协会(ISE)设计的7kW三相光伏逆变系统，效率高达97.8%。
(4) 磁芯采用非晶的电感，非晶由于其独特的骤冷工艺，使得其带材中原子以非晶态结构排列，从而具有良好的磁特性（高μ值、高Bs值、低损耗）。早期主要用在电力变压器上替代硅钢片，还有就是EMC滤波电感和磁放大器等，现在其U型cut core在功率电感逐步得到应用。但是由于非晶材料对应力非常敏感，设计、制造和使用带来了很多挑战；再就是货源问题，由于高品质的非晶磁芯货源稀少，给产品的替代料寻找带来了一定困难；还有一点就是其气隙切面处的损耗问题，在设计中要特别注意。如图8所示的就是一个采用非晶磁芯的电感。
3.4 漏电流传感器
按照美国UL498/C.S.A 22.2 and UL 943的标准，GFCI全称为Ground-Fault Current Interrupters，它译为接地故障电流保护器，也叫漏电保护器。漏电流可能由于各种原因造成，其中最危险的就是通过人体的漏电流，这会给人身造成一定的伤害甚至死亡。所以目前各国在电力用户端都会要求安装漏电保护器，以达到对使用者的保护。其主要原理如图9所示，L、N线同时通过磁芯，在没有漏电流时电流方向相反的L、N线感应磁通互相抵消，感应线圈无输出信号；当有漏电发生时，L、N线电流不相等，感应磁通无法完全抵消，感应线圈有输出信号，输出信号驱动脱扣装置断开线路，达到保护使用者的目的。但这种漏电保护器只能侦测交流信号，对直流漏电流无能为力，而无变压器光伏逆变系统由于与光伏电池连接，极有可能有直流漏电流发生，所以这就需要有既可以测交流又可以测直流的漏电流传感器，目前这种传感器主要以磁通门原理为主。
磁通门原理如图10所示，感应线圈同时也是主动激励信号线圈，在没有漏电流时输出激励电流正负半波对称，在有漏电流时输出激励电流发生偏移，经过信号电路处理以后就可以知道漏电流大小。根据VDE0126-1-1要求，不同的漏电流大小有不同的关断时间要求。[#page#]
4 逆变器主要磁性材料特性
4.1 非晶材料
非晶材料主要应用在EMC电感和功率电感上。在EMC电感应用上，由于其磁导率大，相同插入损耗的情况下体积要小很多；在整个频率范围内，相对铁氧体插入损耗也要大一些；温漂小，高温插损不会像铁氧体那样衰减很多。具体参见图11(a)、(b)。
由于非晶磁芯对应力比较敏感，所以我们在设计和使用时要特别注意：U core的内部棱角角度对Bs和磁芯的抗饱和能力有一定影响；磁芯的成型固化胶性能；磁芯采用coating层和塑料壳性能会有很大差异，且使用coating层的磁芯未来回收会有一定难度；对磁芯灌封时胶的性能差异会影响磁芯性能；绕线和固定磁芯的扎带也会有很大的影响。
在损耗方面，非晶的薄带有利于降低涡流损耗，但是cut core的磁芯端面由于需要做磨平的表面处理，导致其形成一个短路面，在高频时有很大的涡流损耗产生；从而也导致非晶不能像铁氧体那样做分布式气隙，只能采取气隙避让；气隙越大损耗越大，所以在一定的条件下合金粉芯可以比非晶有更好的效果。
4.2 功率电感磁芯材料的对比
由于矽钢片未来的使用会越来越少，这里主要对比铁氧体、合金粉芯和非晶的特性。
  铁氧体 合金粉芯 非晶/纳米晶
频率 >20kHz 5～100kHz 5～30kHz
气隙 集中 分布式 集中
Bs 低 高 高
直流偏置 硬饱和 软饱和 硬饱和
损耗 最低 中～高 中
功率 低 中～高 中～高
应力敏感 低 中 高
成本 低 中～高 高