基于新型半導體的微型逆變器拓撲結構及應用

張從峰

（深圳博華新能源技術有限公司, 廣東 深圳 518118）

逆變器是光伏發電、儲能系統、軌道交通和新能源汽車等領域的核心部件之一，負責實現直流電（direct current, DC）與交流電（alternating current, AC）的轉換，其輸入電壓、輸出電壓、頻率以及整體功率取決于設備的電路設計，自身不產生任何功率[1-2]。在光伏發電領域，光伏組件在陽光照射下發出的是波動的直流電，而電網及大部分負載通常在頻率恒定的交流電下運行，需要使用逆變器將光伏組件產生的直流電轉換為交流電；此外逆變器還要跟蹤光伏組件陣列的最大輸出功率點，使電能以低損耗、高質量的方式并入電網[3]。

如圖1所示，光伏逆變器主要包括集中式、組串式以及微型逆變器3類，這也體現了光伏逆變器的3個發展階段。集中式逆變器可將大量并行的光伏組串在直流端匯集后進行集中逆變并入電網，其優勢在于較低的建設成本和高轉換效率，劣勢在于易受不同光伏組件不同狀態的影響，實際發電效率較低[4]。為了提升電站整體收益率，組串式逆變器開始廣泛應用于光伏發電領域，其對光伏組件進行單獨最大功率點跟蹤及逆變，電流在交流側匯流并入電網。組串式逆變器建設成本較高，但其緩解了單塊光伏組件影響電站整體發電效率的問題，是目前光伏發電市場的主流[5]。下沉至組件級的微型逆變器則可對1塊或幾塊光伏組件進行單獨最大功率點跟蹤及逆變，具有最大限度發揮太陽電池性能和系統故障保護的功能優勢，不會因某1塊組件的功率下降而拉低整串組件的輸出功率；并且得益于模塊化的設計，維護與檢修效率也大大提高[6]。但微型逆變器也存在一定的劣勢，例如建設成本較高以及單個模塊功率轉換效率略低。

近些年來，由于光伏發電系統內直流電壓可達600～1 500 V，存在“高壓風險”和“施救風險”這2種安全隱患[7]，為了確保光伏發電系統的安全、可靠和高效，美國最早提出組件級關斷的概念，并執行相關強制性法規[8]。隨后各國相繼出臺相關政策法規。得益于各國政府對于光伏發電系統安全性的要求，因為組件電壓需要降至安全范圍，微型逆變器已成為光伏發電領域的研究熱點之一。微型逆變器還可緩解光伏發電中存在的遮陽和污垢問題，降低實際成本。本文歸納總結了目前微型逆變器的拓撲結構及其在各領域的應用，并展望其未來發展方向。

1 微型逆變器的拓撲結構

微型逆變器的拓撲結構通常可以根據是否使用多級轉換器來分為單級、多級拓撲結構。其中多級拓撲結構還可以根據第1級電路產生的是直流電還是交流電，分為DC-DC-AC結構或DC-ACAC結構。按照上述分類方式，可將微型逆變器的拓撲結構分為3類：單級拓撲結構、DC-DC-AC多級拓撲結構、DC-AC-AC多級拓撲結構。除此之外，微型逆變器的拓撲結構還有多種分類方式，包括根據是否使用解耦電容、是否在DC端和AC端間設計電隔離部分、AC端輸出的電力為單相電還是多項電等，通常需要依照具體的應用場景選擇對應的微型逆變器拓撲結構。

使用單級拓撲結構的微型逆變器降低了能量變換級數，減少了半導體器件的使用，因此功率轉換損失較小，轉換效率較高。但是受限于結構，其電流轉換、最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）、升壓并網等功能都要在單級結構內完成，電路設計難度較高。多級結構的目的是實現較為高效的MPPT，獲取光伏電池的最大輸出，提升光伏系統的整體發電效率。相較于單級拓撲結構，多級拓撲結構對功率轉換效率和逆變器體積均有一定的影響。

1.1 單級拓撲結構

如圖2所示，使用單級拓撲結構的逆變器能在單級內完成電壓的轉換和輸出，因此單級式微型逆變器具有成本低、體積小、效率高的優點。但也正因如此，單級式微型逆變器通常難以對功率轉換等功能實現較為復雜的精確控制。目前，學者們已從優化電容、優化電感、優化線路結構、削減漏電流、優化控制方法等方面嘗試改良單級式微型逆變器的拓撲結構。

圖2 單級拓撲結構示意圖Fig. 2 Single stage topology schematic

1.1.1 優化電容

為了改進雙Boost逆變器使用電容值較大的電容會導致其壽命較短與穩定性能較差的缺陷，Ribeiro等[9]提出一種改進的全橋微型逆變器，在電路中使用額外的2個二極管和1個電感來形成雙Boost逆變器結構，該結構使用直流部分的電容實現并網時的功率解耦。相較于其他基于雙Boost的拓撲結構，該結構使用壽命更長、穩定性更好，從而提高了微型逆變器整體的壽命與穩定性。胡海兵等[10-11]也從電路中的解耦電容入手，提出了具有功率解耦功能的3端口單級微型逆變器。其通過在傳統Flyback電路結構中加入新繞組構成第3個端口，實現了3端口結構，并且利用第3個端口實現功率解耦功能，提升了微型逆變器的穩定性、壽命和功率變換效率。

Buck-Boost型逆變器還存在著需要電解電容儲能，導致整體壽命穩定性下降的問題。對此，王立喬等[12]提出一種單級單相無電解電容Buck-Boost逆變器拓撲結構，該拓撲使用1個低值直流儲能電感替代電解電容的功能，整體開關器件和無源器件數目較少，降低了成本和體積，提高了可靠性、使用壽命和功率密度。

1.1.2 優化電感

Fang等[13]提出了一種含1個耦合電感的雙Boost單級微型逆變器結構，通過調整Boost變換器中的主電感來實現高效率，具有結構簡單、升壓輸出交流電、體積小、效率高等特點。該微型逆變器使用擾動觀察法對電路進行控制，使用1個比例積分（proportion integration, PI）控制器對光伏組件的參考電壓與實際電壓進行比較，修正逆變器輸出電流。基于類似的電路結構，Abramovitz等[14]提出了具有更高升壓比的單級微型逆變器。當此逆變器將48 V直流電轉換為110 V交流電時，峰值效率可達89.3%。針對雙光伏組件輸入不平衡的情況，郭淑新等[15]提出一種一拖二的改進型Aalborg逆變器拓撲，通過使用耦合電感替換傳統直流電感的方式，改善了逆變器電源輸入不平衡時轉換效率低下的情況。

1.1.3 優化線路結構

基于Cuk變換器，Rajeev等[16]提出了一種無電隔離的單級微型逆變器，其使用雙Cuk拓撲結構，通過將1個非逆變Cuk變換器和另1個后端的逆變Cuk變換器連接，實現了單級微型逆變器的MPPT控制，通過對比參考電壓與光伏組件瞬時產生電壓的差值，由PI控制器在最大功率點產生電流，并使用鎖相環與電網交流電同步。而基于Buck變換器，孫運凱[17]提出了一種基于正弦脈寬調制（sinusoidal pulse width modulation, SPWM）的逆變器。由于使用了雙降壓式半橋微型逆變器拓撲結構，此逆變器簡潔可靠，并且無橋臂直通問題，可以實現功率開關管和續流二極管的最優設計，減少開關損耗。

1.1.4 削減漏電流

單級式微型逆變器作為一種主要由功率器件組成的開關電路，不可避免地存在流向地面的漏電流。為了盡可能地消除漏電流現象，Vazquez等[18]提出了一種新型無共模逆變器的微型逆變器拓撲結構，該結構主要通過將電網中性點與光伏組件的負極相連的方式，來消除光伏組件上泄露到地面的漏電流。但是這種微型逆變器使用的控制方法較為復雜，并且需要使用較多的無源器件，導致整體功率轉換效率降低，還需對其進一步優化以滿足實際使用需求。

同樣為了解決漏電流問題，Xia等[19]提出了一種雙向單級式微型逆變器，其基于非對稱的半橋逆變器拓撲結構，使用直流鏈路電容器作為MPPT電壓源，改善了單級式微型逆變器的漏電流問題。陳才學等[20]則對Heric拓撲進行改進，采用準雙向電壓開關單元的結構，在減少高頻開關管個數的同時，通過中點鉗位的方式避免了電路相對懸空的問題，抑制了漏電流的產生。馬海嘯等[21]在H7型逆變器拓撲上增加了鉗位電路，實現了逆變器共模電壓在續流狀態內保持穩定的功能。

1.1.5 優化控制方法

基于對微型逆變器控制方法的優化，Zhang等[22]提出了一種單級全橋微型逆變器并提供了相應的控制策略，可減少開關損耗、優化電網電流。通過使用1個PR控制器對逆變器進行混合滯后電流控制，改善了并入電網的電流質量。基于零電壓開關（zero voltage switching, ZVS）技術，Chakraborty等[23]提出了一種使用雙有源橋構建的高頻微型逆變器，通過控制策略實現了對直流電壓和交流輸出電壓的調控、以及功率解耦等功能。

1.1.6 新材料器件

得益于新型的寬帶隙半導體器件具備的更高的轉換效率和開關頻率、更高的工作溫度和工作電壓等特性，一些學者使用寬帶隙半導體器件改進了微型逆變器的拓撲結構。閆琪等[24]提出了一種基于GaN器件的雙Buck逆變器拓撲結構，通過引入GaN器件提高開關頻率，從而解決拓撲自身電感較大的問題。通過驗證，該逆變器最高效率可達98.63%。李杰[25]提出了一種高頻高效的GaN逆變器拓撲結構。為提高功率密度通常需要提高電路的開關頻率，但傳統技術需要額外輔助電路以避免高頻帶來的開關損耗，這反而阻礙了功率密度的提升。使用開關速度高、導通電阻低的GaN器件，可在提高開關頻率的同時提高電路功率密度，并避免使用額外電路。與普通的Si絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistors, IGBT）相比，寬禁帶的SiC金屬-氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET）對寄生參數更加敏感。秦宇[26]提出一種基于SiC MOSFET的三電平逆變器，該逆變器拓撲可充分發揮MOSFET器件的高效高功率密度特性，可抑制回路震蕩并避免器件誤導通。

1.2 DC-DC-AC多級拓撲結構

多級微型逆變器電路多使用DC-DC-AC拓撲結構（見圖3）。其中初級使用的DC-DC轉換器電路，主要是實現升壓與MPPT功能；次級使用的DC-AC逆變器電路或翻轉電路，是負責將直流電轉換為交流電，并控制輸出電流與電壓，進行并網操作。這種多級拓撲結構簡單，控制策略清晰。但相較于單級式，多級的拓撲結構導致逆變器體積變大，功率轉換損失增加。目前DC-DC-AC多級拓撲結構是微型逆變器的研究熱點之一，多位學者從技術改進和應用改進等方面對其進行了優化。

圖3 DC-DC-AC多級拓撲結構示意圖Fig. 3 DC-DC-AC multi stage topology schematic

1.2.1 優化電容

從電路中的解耦電容入手，Li等[27]提出了一種無電解電容的模塊集成隔離式微型逆變器，前級使用雙Boost電路交錯并聯控制，后級使用全橋逆變器電路。該拓撲結構使用諧振抑制技術減少直流部分的電容需求，并使用薄膜電容取代電解電容，從而實現了較高的轉換效率和MPPT精度。

1.2.2 優化電感

為改善基本Boost電路的工作條件，胡志杰[28]在Boost電路中引入耦合電感，增強前級的電壓調節能力，提出了一種單相雙模式兩級型全橋雙Buck逆變器拓撲。該拓撲前級使用并聯的改進版Boost電路，通過降低前級輸入電流，抑制輸入電流的波紋，后級使用雙Buck電路結構，以消除全橋逆變電路中的控制死區時間，提高逆變效率，并給出了一種雙模式的控制方法，為電路提供多電平的輸入電源，減少諧波的產生。郭強[29]提出了一種高增益兩級式逆變拓撲結構，同樣是在前級并聯Boost電路中使用耦合電感，提高了前級調節控制的自由度。并且在此基礎上還在前級加入了無源鉗位電路，回收了耦合電感的漏感能量，實現高增益兩級式光伏逆變器。

1.2.3 優化線路

通過增加旁路電路規模，Cha等[30]提出了一種兩級微型逆變器。其中DC-DC階段使用有源Flyback電路，并在電路中變壓器次級部分串聯1個諧振電壓倍增電路，這種有源鉗制電路通過限制有源功率半導體上的電壓，減少了功率變換損耗，提升了直流升壓比。后級則使用雙Buck逆變器電路，完成DC-AC的逆變工作。Zhao等[31]提出了一種由諧振電路和全橋DC-AC逆變器電路組成的微型逆變器拓撲結構，其中前級諧振電路可實現零電壓導通，后級全橋逆變器采用混合脈寬調制模式。Shen等[32-33]還針對多級微型逆變器中的DC-DC部分進行了深入研究，提出了一種新的串聯諧振式直流電轉換器。這種基于雙模整流器的DC-DC轉換器的拓撲結構能夠在各種電壓輸入下運行，并且有著較廣的電壓增益范圍，控制策略更靈活，開關損耗大幅減少。為了應對復雜的微型逆變器應用場景，Chiang等[34]提出了一種由推挽式變換器和全橋DC-AC逆變器電路組成的拓撲結構，通過在前級布置用于有源鉗制的電流饋電電路，該拓撲結構可以在3種控制策略模式下運行，包括向電網供電的并網模式、連接電網但不供電的線路互動模式和直接向負載供電的獨立模式，較好地滿足了復雜環境中的應用需求。

1.2.4 削減漏電流

Arshadi等[35]提出了一種通過負極接地消除光伏系統中漏電流的微型逆變器拓撲結構，該拓撲由前級單開關高升壓的DC-DC轉換器電路構成，后級使用半橋DC-AC逆變器電路，整體結構簡單、控制簡單、轉換效率較高，是一種性能較好的微型逆變器拓撲結構。

1.2.5 優化控制方法

?ztürk等[36-38]介紹了一種基于DSPIC控制器的微型逆變器拓撲結構。該拓撲由前級的Flyback電路和后級的全橋DC-AC逆變器電路組成，研究人員通過1個低成本的微控制器電路實現了多種控制方法。相較于其他拓撲結構，這種結構節省了載波信號生產電路和相位檢測相關電路，MPPT和并網相關的參數由微處理器進行數字合成產生，是一種體積緊湊、成本低廉的微型逆變器拓撲結構。同樣是針對Flyback電路與全橋逆變器電路，Lee等[39]通過新的混合模式控制策略，減少變壓器和控制電路的壓力，進而提升微型逆變器性能和穩定性。Falconar等[40-41]提出了一種無電流傳感器的控制策略，通過最小化控制算法的測量噪聲，在降低成本的同時展現了優越的功率轉換性能。孫瑞東等[42]提出了一種二次功率解耦控制策略，通過增加電流環有功指令的前饋解耦控制方法，抑制了輸入側的紋波電流，提高了前級負載突變時的響應速度，實現了前后級之間的二次功率解耦。

1.2.6 三相拓撲改進

針對三相電系統，Chen等[43-44]提出了一種三相平衡的微型逆變器拓撲結構。前級使用諧振式DC-DC轉換器電路，并進行MPPT進行電流控制。后級使用三相電DC-AC逆變器電路，研究人員使用了1個三環路控制器，控制逆變器電路對三相電進行平衡。此外還額外使用1個直流控制器，維持鏈路上直流電壓的穩定。該拓撲結構實現了三相電逆變并改善了系統響應。Feng等[45]提出了一種無電容的三相兩級微型逆變器，前級DC-DC部分由2個交錯的Flyback轉換器和1個三次諧波注入電路組成，后級DC-AC部分由三相電流源逆變器電路組成，并且使用濾波器進行輸出濾波。基于此拓撲結構制成的微型逆變器在實現了結構緊湊、壽命長和轉換效率高的同時，還提供了較大的無功率控制范圍，并具備三相輸出平衡等性能。

1.3 DC-AC-AC多級拓撲結構

如圖4所示，微型逆變器中的DC-AC-AC多級拓撲結構一般由初級的DC-AC逆變器電路和次級的AC-AC變頻器電路組成。在初級電路部分，光伏組件的直流電壓被轉換為高頻交流電壓，并通過將數個電容器并聯在光伏組件上來實現功率解耦。在次級電路部分，高頻交流電通過變壓器進行升壓，連入AC-AC變頻器，通過調節輸出電流完成并網。由于解耦電容的使用，這種拓撲結構可能存在穩定性與壽命上的缺陷，現有的解耦電路的改進技術控制策略復雜，相較于DC-DC-AC方案，相關研究數量較少。

1.3.1 優化線路

通過增加旁路電路規模，張曉鋒等[46]借助三端口脈動功率解耦思想，從電路中的解耦電容入手，極大地減小了解耦電容值，降低了開關損耗，減輕了前級推挽逆變電路的電流壓力，但是新加入的解耦電路又增加額外的功率轉換損耗。Trubitsyn等[47]提出了一種基于全橋逆變器和半波式ACAC變頻器的微型逆變器，結合了變壓器原邊串聯諧振電路和脈沖頻率調制（pulse frequency modulation, PFM）技術。Krishnaswami等[48]在此拓撲結構的基礎上，改用全橋式結構的AC-AC變頻器作為后級，同時使用移相調制改善了原拓撲結構中電流諧波頻譜寬、濾波困難的問題。

1.3.2 優化開關器件

為減少開關器件的使用，Nayanasiri等[49]提出了原邊為全橋逆變器和串聯諧振電路、副邊為半橋式AC-AC變頻電路的微型逆變器。Aganza-Torres等[50]提出了一種基于半波式變頻器的DC-AC-AC多級拓撲結構微型逆變器，該電路前級使用推挽式逆變器，后級改進為半波式AC-AC變頻器。這比全橋型減少了4個開關管，但變壓器副邊的匝數增加了1倍，且需加入中心抽頭[51]。對額定功率為230 W的微型逆變器的損耗分析和計算表明，其最高功率轉換效率可以達到96.1%。

1.3.3 優化控制方法

Krein等[52]采用多載波的脈沖寬度調制（pulse width modulation, PWM）技術改善了AC-AC變頻器輸出電壓的波形。隨后，Aganza-Torres等[53]對多載波PWM技術做了進一步分析與研究，認為通過此類技術對控制方法進行優化之后，使用DCAC-AC多級拓撲結構的微型逆變器適用于光伏發電系統。

2 微型逆變器在其他領域的應用

2.1 能源電力領域

在能源電力領域，近些年，許多光伏逆變器廠商都開始發力儲能變流器業務，原因就是儲能變流器[54]和光伏逆變器在原理上基本相同、技術同源。對廠商而言，儲能變流器的客戶群體還與光伏逆變器的客戶群體高度重疊，目前主流的儲能變流器廠商大部分主業均為光伏逆變器。

在新能源發電行業中，除了光伏發電，其他發電系統如風力發電[55]等也常利用微型逆變器將電能高效安全地并入電網，為的是獲得準確匹配電網電壓、頻率和相位的正弦波交流電。在電力傳輸系統中，有一種用于穩定電網的逆變器稱作同步逆變器[56]，當電網負載突發劇烈變化時，能夠更快地響應需求對電網進行調節，讓傳統發電機有時間調整輸出功率，維持電網上電力穩定。

此外，在一些重要電器上使用的不間斷電源[57]（uninterruptible power supply, UPS），其核心也是微型逆變器模塊，在市電斷開瞬間就使用電池電力供應交流電，從而達到供電不間斷的效果。

2.2 電機控制領域

微型逆變器還廣泛地被用在各種電機速度控制器中，用來生產頻率可變、電壓可變的交流電，進而調整交流電機的速度和扭矩。因此，微型逆變器在高速軌道交通系統[58]、新能源電動汽車[59]等領域中均有使用。在制冷設備領域中，微型逆變器被用來驅動變頻壓縮機[60]，通過變頻壓縮機的變速運行解決了傳統壓縮機只能開啟和關閉的問題，由此提高了變頻制冷設備的循環效率、降低了電力的消耗。市場現有的變頻空調、變頻冰箱均基于此項技術。

2.3 其他領域

在消費設備中，微型逆變器被用來進行直流電-交流電轉換以及交流電頻率轉換，例如車載逆變器電源[61-62]、便攜電力設備[63]等。在軍警設備中，泰瑟槍等電擊武器[64]就是借助微型逆變器的電力轉換功能產生高壓交流電。在加熱設備中，還可以利用微型逆變器的頻率轉換功能，將普通直流電或交流電轉換為高頻交流電[65]，用于感應加熱。

3 結語

微型逆變器安裝成本更低、安全性更高且系統轉換效率更高，其正在逐步占據傳統集中式、組串式逆變器的市場，但其在單機功率轉換效率和控制方法方面仍有較大的進步空間。本文將微型逆變器的拓撲結構分為單級拓撲結構、DC-DC-AC多級拓撲結構和DC-AC-AC多級拓撲結構3類，其中單級式拓撲結構發展較早，目前研究趨于成熟，雖然有著較高的轉換效率，但受限于結構緊湊，難以有更進一步的改進；DC-AC-AC多級拓撲結構目前成本較高，不是主流研究方向，相關研究較少；而DC-DC-AC多級拓撲結構有著控制簡單、結構清晰易改進的優點，是目前研究的熱門方向之一，也將會是未來微型逆變器的發展方向。得益于碳化硅、氮化鎵等新一代材料更高的功率轉換效率、更高的工作溫度和工作電壓，使用其替代傳統功率器件并對微型逆變器拓撲結構進行相應優化，可獲得更高的功率轉換效率且可以簡化器件散熱設計。新型寬帶隙半導體的研發和商業化進程將對未來微型逆變器拓撲結構的發展產生進一步影響。