在新能源系統構成中，除了集中式和組串式逆變器外，還有一個易於安裝、配置靈活的微型逆變器（Micro-inverter）。顧名思義，微型逆變器的功率較小，因此通常只連接一塊或幾塊太陽能電池板。作為逆變器，微逆需要將太陽能板的低壓直流電，轉換為當地電網所使用的交流電。通常一塊光電板電壓在50V左右，而交流電網電壓往往高達上百伏，這樣高的電壓/電流變比對變換器的增益有很高的要求。這時如果使用普通的非隔離PWM變換器，開關管工作的佔空比會很大或很小，變換器的效率很低，功率元件的應力也比較大。自然而然地，在變換器中引入耦合電感或變壓器，通過匝比來實現電壓匹配成為在微逆中的優選方案。

從功能上來說，微逆需要具備快速關斷(Rapid Shut Down,RSD)，最大功率點追蹤(MPPT)，逆變(Inverter)三種功能。 RSD在2014年在NEC上被提出來，旨在發生火災等災害時快速切斷太陽能電池板與直流母線的連接，保證消防員的安全。 MPPT是光電行業人員都非常熟悉的，在之前的文章中也有介紹。但與傳統集中式或組串式MPPT電路不同，在微逆中該功能的實現並不一定採用Boost來升壓，也有使用Buck、全橋、反激等電路的，這主要與後級電路的多樣性有關。

從電路結構上而言，微型逆變器經歷了從多級式到兩級式，再到單級式的歷程[1]。電能從太陽能電池板輸出到與交流電網並聯，中間經過的轉換級數越少，效率往往越高。多級式或兩級式微逆如圖1所示，由前級DC/DC加後級DC/AC構成，前級DC/DC具備MPPT與升壓功能，將電壓抬升至逆變所需直流母線電壓，後級DC/AC逆變併網。

兩級式的微逆還有兩種細分類型－電壓源型和電流源型。電壓源型控制交流側的輸出電壓，前級DC/DC的輸出如圖3是一個穩定的直流電壓，這種結構的微逆後級DC/AC工作在高頻狀態。電流源型的微逆主控量則是電流，其直流側輸出不再是穩定的直流，而是如圖4所示這種帶交流分量的“饅頭波”，後級的工頻極性轉換電路將此饅頭波分正負輸出，形成併網的正弦波。這種電流源型的微逆相比於電壓型微逆而言，裝置的電壓應力更小，結構與控制更簡單，在目前主流的微逆機型中被廣泛應用。

兩級式的微型逆變器前級的DC/DC考慮到電壓傳輸比的問題，往往採用圖5和圖6所示的DAB、反激這樣的隔離拓樸。如何優化這兩種隔離拓樸的被動元件設計，如何實現軟開關以減小開關損耗提高功率密度，都是微逆中重點研究的內容[2]。 DAB拓撲可以有效利用變壓器的漏感實現ZVS，開關頻率可以達到百kHz以上，且其裝置電壓應力更低，只是裝置數量更多一些。反激型微逆拓樸更為簡單，但是主動管的電壓應力較高，如果所用變壓器的漏感較大，則所需主動管的耐壓可能高達電池板電壓的3-4倍。如果設計在CCM模式下，一般定頻工作，控制更為簡單，EMC也更為友好；若是設計在BCM或DCM模式下，一般是變頻工作但能實現ZVS。當然，也有為反激電路增加額外電路來實現軟開關的做法。整體來說，雖然反激電路本身比較簡單常用，但在微逆領域的應用仍有不少值得研究的技術點。

對於採用DAB的微逆拓撲，英飛凌有表1所示的解。

若是採用反激電路作為DC/DC級，表2給出了英飛凌的解決方案。即將推出的150V OptiMOS™ 6 相較於上一代的OptiMOS™ 5，如圖7所示Rdson降低30%以上，開關損耗也有較大的降低。既有適用於軟開關的ISC0x系列，也有適用於硬開關場合的IPT02x系列。

如前面所言，電壓型和電流型微逆都有一個DC/AC電路，只是電流源型所需的是工頻的電路而電壓源型所需是高頻開關。圖8這種Unfolding電路結構簡單，MOSFET工作在工頻狀態，主要損耗為導通損耗，600V-950V CoolMOS™ P7甚至1200V的IGBT都適用於這種場合。圖9這種全橋電路是典型的電壓源型逆變器，其中一個橋臂工作在工頻狀態，另一橋臂則高頻開關以減少輸出電壓的諧波。最優化的設計自然是根據工作狀態的不同為兩橋臂選擇不同的MOSFET，只是也可以從600V-950V CoolMOS™ P7進行選擇。從拓樸也可以看出，Unfolding電路由於元件特性，對於無功補償的能力有限；全橋逆變電路可以雙向運行，自然有充足的無功補償能力，但是需要增加額外的LCL濾波器。

單級型的微逆的結構如圖2，它沒有直流母線，通過高頻的交-交變換，實現從低壓直流到高壓交流的能量傳遞[3]，當下研究最多的是圖10所示的周波變換器(Cyclo-converter)。由於其變換級數少，並且可以在大多數工況實現ZVS，其效率可以高達97.5%以上。但是這種拓撲多個功能都需要由一級電路裡的高頻開關實現，這給控制帶來了挑戰。且由於週波變換器開關管的工作頻率較高，如何使得大部分工況下的大部分開關管處在軟開關狀態，也成為目前在Cyclo微型逆變器拓樸研究中的熱點[4]。

將諧振變換器與Cyclo變換器結合，又可以得到圖11所示的諧振型Cyclo。這種拓樸除了自然的ZVS之外，還能提供開關頻率、原副邊移相角、橋臂內移相角等多控制自由度，為MPPT控制、功率控制以及無功補償提供了控制上的可能。

對於Cyclo變換器，英飛凌有多種解決方案。傳統的Si解決方案與DAB方案類似，見表3 Cyclo Inverter的傳統Si解決方案。

英飛凌在收購了GaN System™之後，擁有更齊全的GaN產品線。 GaN作為寬能隙元件，本身的扁平結構非常適合在微逆中應用，並且其開關損耗很低，幾乎沒有反向恢復能量，可以將微逆的開關頻率推到很高，進一步減小電感、電容尺寸。特別對於交流側的雙向開關，英飛凌即將推出基於GaN的雙向開關BDS，在單晶圓上實現可以進一步減小尺寸與封裝成本。

微逆作為一種模組化組件，有許多值得研究的問題。比如市面上大多數的微逆都要求有25年的質保以匹配組件的壽命，需要去除電解電容，如何高效解耦值得研究；Cyclo Inverter多個控制自由度如何配合，能夠全範圍ZVS並且有效抑制抑制過零點的電壓尖峰等都有大量學者和工程師在研究。英飛凌將與產業界一起推動微逆的發展與進步，在後續文章中也會針對大家感興趣的點再進行深入討論。

參考文獻

[1] Q. Li and P. Wolfs, “A Review of the Single Phase Photovoltaic Module Integrated Converter Topologies With Three Different DC Link Configurations,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 3, pp. 1320-1333 , May 2008

[2] 張哲，模組化光伏併網系統中微型逆變器和功率優化器結構和控制策略研究，浙江大學博士論文，2014

[3] H. Krishnaswami, "Photovoltaic microinverter using single-stage isolated high-frequency link series resonant topology," ECCE, Phoenix, AZ, USA, 2011, pp. 495-500

[4] 湯欣喜，定頻/窄變頻寬增益諧振變換方法研究，南京航空航天大學博士論文，2020

文章來源：英飛凌工業半導體