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來(lái)源：貿(mào)澤電子 生活中我們常見(jiàn)的電源轉(zhuǎn)換以DC-DC、AC-DC居多，隨著綠色能源的發(fā)展，將DC轉(zhuǎn)換為AC的應(yīng)用逐漸多了起來(lái)。例如，在并網(wǎng)太陽(yáng)能系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生直流電，而交流電在輸送過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)高效的能量分配，更適合長(zhǎng)距離輸電，因此，借助DC-AC轉(zhuǎn)換技術(shù)，方可順利實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與現(xiàn)有電網(wǎng)的并網(wǎng)發(fā)電。 將DC轉(zhuǎn)換為AC的重要性 直流-交流轉(zhuǎn)換器（也被稱為“逆變器”）主要有三個(gè)特點(diǎn)： 一是它們?cè)试S為交流電源設(shè)計(jì)的設(shè)備與直流電源（如電池）一起使用。這對(duì)于便攜式電子設(shè)備或離網(wǎng)電力系統(tǒng)特別有用。 二是轉(zhuǎn)換器使產(chǎn)生的電力能夠與產(chǎn)生直流電的電力系統(tǒng)中的傳統(tǒng)交流設(shè)備一起使用，例如太陽(yáng)能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)。 三是它們?yōu)殡娏ο到y(tǒng)提供了靈活性，允許不同類型的電源和負(fù)載一起使用。 在許多情況下，我們需要將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。 01、在可再生能源系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的是直流電，為了實(shí)現(xiàn)與公共電網(wǎng)的并網(wǎng)發(fā)電，需要經(jīng)過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。 02、在家用和辦公環(huán)境中，因大多數(shù)家用和辦公設(shè)備如電視、電腦、冰箱、空調(diào)和其他設(shè)備都使用交流電，若使用電池或太陽(yáng)能電池板等直流電源，同樣需要將直流電轉(zhuǎn)換為交流電才能運(yùn)行這些電器。 03、在不間斷電源（UPS）的應(yīng)用中，UPS常用于在停電時(shí)為計(jì)算機(jī)和其他敏感設(shè)備提供電源備份，因這些設(shè)備大多使用交流電，而UPS中的電池提供的是直流電源，故在使用中UPS的輸出也需要轉(zhuǎn)換成交流電。 逆變器中的主要組件 為了將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，逆變器是必不可少的設(shè)備。逆變器的關(guān)鍵部件包括逆變器、H橋電路和晶體管，所有這些都在轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 逆變器是一種復(fù)雜的設(shè)備，可以將電池或其他電源的直流電轉(zhuǎn)換成大多數(shù)電器所需的交流電，而H橋電路和晶體管則控制著電流的流動(dòng)和方向。逆變器通常利用某種形式的H橋電路來(lái)改變直流電的極性。在大多數(shù)情況下，需要放大較低電壓的直流電流，以匹配其將提供的交流電壓。下面我們就來(lái)看一下H橋的工作原理： 如圖1所示，H橋由四個(gè)開(kāi)關(guān)組成，這些開(kāi)關(guān)可用于通過(guò)H形電路切換負(fù)載的極性，因此電流可根據(jù)開(kāi)關(guān)方向沿任意方向流過(guò)。 
圖1：一個(gè)簡(jiǎn)單的H橋電路可以用來(lái)有效地切換直流極性（圖源：網(wǎng)絡(luò)） 一個(gè)基本的H橋可以提供特定頻率的交流電，但功率輸出的波形與電網(wǎng)應(yīng)提供的波形不同。 當(dāng)直流電源極性通過(guò)H橋切換時(shí)，產(chǎn)生的波形為方波。對(duì)于一些應(yīng)用，只要頻率在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，方波形狀的交流電也是可以使用的。不過(guò)，對(duì)于更敏感的電氣設(shè)備和AC電機(jī)的操作來(lái)說(shuō)，方波可能是有問(wèn)題的，甚至?xí)䲟p壞設(shè)備。這些敏感電子設(shè)備只能使用純正的正弦交流波才能正常工作并保證使用壽命。 由于基本H橋在技術(shù)上只向前或反向切換電壓，因此在沒(méi)有添加組件的情況下，它們無(wú)法直接輸出正弦波形。逆變器產(chǎn)生的三種最常見(jiàn)波形分別是方波、改進(jìn)型正弦波和純正弦波，每個(gè)逆變器的成本與它們能實(shí)現(xiàn)正弦交流波形的程度直接相關(guān)。根據(jù)可以產(chǎn)生的交流電類型逆變器分為三個(gè)類型： 01 方波逆變器 方波逆變器是一種輸出波形為方波的DC-AC轉(zhuǎn)換器，通過(guò)H橋快速切換直流輸入電壓來(lái)產(chǎn)生交流電。這種類型的逆變器通常用于低功率應(yīng)用，如為筆記本電腦、智能手機(jī)和電燈等小型電子設(shè)備供電。方波逆變器不適用于需要純正弦波輸出的敏感設(shè)備，因?yàn)樗鼈儠?huì)將諧波和失真引入到電氣系統(tǒng)中。方波逆變器是最簡(jiǎn)單的逆變器設(shè)計(jì)，與其他類型的逆變器相比，低成本和較高的效率是它的特點(diǎn)。 02 改進(jìn)型正弦波逆變器 改進(jìn)的正弦波逆變器使用H橋電路和高速開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)階梯狀波形，其形狀更接近正弦波，但仍然不是完全的正弦波。與純正弦波逆變器相比，改進(jìn)的正弦波逆變器更具成本效益。對(duì)于許多應(yīng)用，這種類型的交流電源是可接受的，并且可以與大多數(shù)電子設(shè)備和電機(jī)應(yīng)用一起使用。即便如此，當(dāng)由改進(jìn)的正弦波逆變器供電時(shí)，一些電氣設(shè)備仍然無(wú)法有效運(yùn)行，甚至可能損壞。 03 純正弦波逆變器 純正弦波逆變器的工作原理與改進(jìn)型正弦波逆變器相同，但需要額外的電子元件來(lái)細(xì)化和平滑波形，從而產(chǎn)生與公用電網(wǎng)平滑一致的正弦波，這個(gè)額外的電子元件就是LC電路。一個(gè)基本的LC電路由電感器（L）和電容器（C）組成，它們可以作為電諧振器來(lái)將階梯狀波形平滑成電網(wǎng)中的正弦波。與改進(jìn)型正弦波或方波逆變器相比，純正弦波逆變器產(chǎn)生的電力提供了低總諧波失真（THD）的高質(zhì)量電源，適用于所有類型的電子設(shè)備和電器，但轉(zhuǎn)換效率可能要低于其他類型的逆變器。 選擇合適的逆變器設(shè)計(jì)方案 逆變器的效率主要取決于設(shè)計(jì)方法和質(zhì)量。高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換器效率大約為85-90%，由于系統(tǒng)中存在的熱量、布線和其他電子部件，有可能會(huì)導(dǎo)致一定的能量損失。因此，選擇合適的逆變器對(duì)于電氣系統(tǒng)的高效運(yùn)行至關(guān)重要。以下是做出決定時(shí)需要考慮的一些重要因素： 功率要求和負(fù)載容量。確定設(shè)備的功率要求，并確保轉(zhuǎn)換器能夠處理最大負(fù)載，選擇與電力需求相匹配的轉(zhuǎn)換器以避免系統(tǒng)過(guò)載或利用不足很重要。 轉(zhuǎn)換器的效率。評(píng)估各種轉(zhuǎn)換器的效率額定值，尋找具有更高額定效率的轉(zhuǎn)換器，才能確保最佳的能量轉(zhuǎn)換。 與特定應(yīng)用需求的兼容性。不同的應(yīng)用可能對(duì)其電源有特定的要求。例如，一些應(yīng)用可能改進(jìn)型正弦波輸出就能滿足需求，而另一些應(yīng)用可能需要純正弦波輸出。轉(zhuǎn)換器的選擇要能夠在合理成本基礎(chǔ)上兼顧各種應(yīng)用需求，避免出現(xiàn)兼容性的問(wèn)題。 下面我們就以太陽(yáng)能逆變器為例來(lái)聊一聊怎樣才能找到一款合適的逆變器設(shè)計(jì)方案。 太陽(yáng)能逆變器是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的重要組成部分，它可將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，用于為我們的家庭和企業(yè)供電。通過(guò)有效的能源轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能逆變器在最大限度地提高能源生產(chǎn)和確保與電網(wǎng)無(wú)縫集成方面起著關(guān)鍵作用。根據(jù)應(yīng)用，市場(chǎng)上既有家用的幾瓦和幾千瓦的逆變器，也有商用和電站級(jí)大型項(xiàng)目使用的幾兆瓦的大型太陽(yáng)能逆變器。根據(jù)實(shí)現(xiàn)拓?fù)洌夥孀兤饔挚煞譃槲⑿湍孀兤鳌⒔M串式逆變器或集中式逆變器等。通常，單臺(tái)逆變器功率為5KW到200KW，將逆變器并聯(lián)后，總功率可達(dá)到20MW。 組串式逆變器基于兩級(jí)電路轉(zhuǎn)換。首先，DC / DC變換單元將可變直流電壓轉(zhuǎn)換為固定直流電壓，同時(shí)通過(guò)最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）技術(shù)從光伏板中提取最大功率。然后，DC / AC變換單元將直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)兼容的交流電。大部分逆變器采用無(wú)變壓器或非隔離變壓器設(shè)計(jì)。一般而言，兩電平拓?fù)浠蛉娖酵負(fù)洌ㄈ嘟M串式）都可用于光伏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，然而三相組串式因效率更高更受市場(chǎng)歡迎。 由英飛凌公司提供的三相組串式逆變器設(shè)計(jì)方案支持高達(dá)200KW的功率，產(chǎn)品中包含英飛凌CoolSiC Easy模塊和三電平Easy模塊，可實(shí)現(xiàn)出色的功率密度和高制造便利性。Easy模塊包含EasyPIM、EasyPACK和EasyDUAL，涵蓋600V/650V/1200V電壓，6A至200A電流的全功率范圍。在工作過(guò)程中，所有功率開(kāi)關(guān)都需要與之配合的柵極驅(qū)動(dòng)器，而所有柵極驅(qū)動(dòng)器都需要相應(yīng)的控制。為此，英飛凌還為逆變器設(shè)計(jì)方案提供了相應(yīng)的EiceDRIVER柵極驅(qū)動(dòng)器以及XMC微控制器。
圖2：三相組串式逆變器系統(tǒng)框圖（圖源：Infineon） 集中式逆變器通常基于單級(jí)功率轉(zhuǎn)換，大部分逆變器采用變壓器設(shè)計(jì)或隔離變壓器設(shè)計(jì)。在直流轉(zhuǎn)交流階段，可變直流電可以轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)兼容的交流電，額定功率從600 KW到3,000KW不等。 英飛凌提供的單臺(tái)集中式逆變器額定功率高達(dá)1,000KW，將多臺(tái)逆變器并聯(lián)起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)3,000KW的逆變解決方案。方案中的相關(guān)產(chǎn)品包括EconoDUAL3模塊和62mm模塊。其中，EconoDUAL 3主要面向中等功率應(yīng)用，采用了先進(jìn)的 TRENCHSTOP IGBT7或IGBT4技術(shù)，支持600V / 650V / 1,200V和1,700V電壓等級(jí)，從100A到900A的完整電流范圍。 為了滿足光伏逆變器的市場(chǎng)需求，英飛凌還推出了帶有標(biāo)準(zhǔn)半橋和共發(fā)射極配置的600A / 1,200V 62mm模塊，這些模塊的電流密度增加33%，有助于大幅提高逆變器系統(tǒng)的功率密度。62mm模塊既有650V電壓下300A - 400A的電流范圍，也有1,700V電壓下150A - 600A的電流范圍可供選擇，確保逆變器的成功設(shè)計(jì)。
圖3：集中式逆變器系統(tǒng)框圖（圖源：Infineon） 結(jié)語(yǔ) 交流電是大多數(shù)住宅和商業(yè)建筑中使用的標(biāo)準(zhǔn)電力形式，逆變器在為這些設(shè)置中的各種應(yīng)用提供AC功率方面起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于依賴于太陽(yáng)能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)等綠色能源的應(yīng)用而言，高效的逆變器是不連接到主電網(wǎng)的這些離網(wǎng)電力系統(tǒng)中的重要組件，市場(chǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 據(jù)Business research insights預(yù)計(jì)，2021年，全球儲(chǔ)能直流和交流電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）市場(chǎng)規(guī)模為8.64億美元，預(yù)計(jì)到2031年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到11.57億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率為27.37%。隨著電子技術(shù)的普及以及可再生能源的增加，逆變器已成為當(dāng)今電氣系統(tǒng)的重要組成部分，在滿足世界不斷變化的能源需求多樣性方面其作用越來(lái)越突出。 |
