Heric電路原理與器件選型

非隔離型單相并網逆變器由于其體積小效率高等特點廣泛應用于小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)（2-10kW），但由于并網系統(tǒng)不含變壓器且光伏電池板等對地存在多處分布電容，功率器件在高頻開關時，在光伏電池板、逆變器、電網間形成共模電流。

非隔離型并網逆變器共模電流回路示意

為了保證人員和設備安全，對地漏電流必須要抑制在一定幅值范圍，常見的兩種優(yōu)化策略為：

1、采用相應的調制策略，使得逆變器交流AC端口輸出的共模電壓(VAN+VBN)/2為恒值。

2、直流側或交流測解耦，電流在逆變器和電網之間環(huán)流時，切斷光伏電池與電網的連接以使得逆變器輸出共模電壓基本保持不變。

對于H橋拓撲，采用雙極性PWM調制時，不同開關模態(tài)時共模電壓穩(wěn)定在VDC/2。這樣就滿足上述對策一，可以很好抑制共模電流，但由于T1-T4在一個工頻周期內均為高頻工作，開關損耗較大，且由于輸出PWM電壓幅值在-VDC和+VDC之間跳變，相較單極性PWM調制時，所需的濾波電感感值也會更大。

為了兼顧效率與共模電流的抑制，一般采用對策二，幾種改進型的單相并網拓撲被提出。H5拓撲只增加一個功率器件（圖1），可實現(xiàn)輸出共模電壓的相對穩(wěn)定，但效率一般，T5在整個工頻周期內高頻動作，發(fā)熱較多。H6電路增加四個功率器件（圖2），其中包含兩個續(xù)流二極管，可抑制共模電流問題，效率不錯，但增加器件成本較多。Heribert Schmidt等學者提出了Heric拓撲（圖三）。

圖1 H5電路拓撲

圖2 H6電路拓撲

1、Heric電路原理

Heric電路只增加兩個功率器件T5/D5與T6/D6，濾波電感續(xù)流時，T5/D5與T6/D6提供雙向電流通路，從交流測斷開光伏電池板與電網的連接，可控制輸出共模電壓相對穩(wěn)定，且效率相較H5，H6拓撲更高，被廣泛應用。對于Heric電路，功率因數(shù)為1時，T5與T6以工頻開關動作，正半周期，T1與T4高頻開關，關斷時通過T6與D5續(xù)流，負半周期同理，T2,T3與T5,D6換流。整個開關模態(tài)，逆變器AC端口共模電壓Vcn輸出情況如下表，基本穩(wěn)定在VDC/2。

圖3 Heric電路拓撲

當Heric電路需要向電網注入無功電流時，T5,T6也需要在輸出電壓電流反向區(qū)間內分別高頻開關，例如在輸出滯后無功電流時，V>0,I<0階段（規(guī)定電流流出H橋為正），T1-T4均關斷，T5導通，電感電流通過T5,D6續(xù)流，T5關斷時，電感電流通過D1,D4流通，此時交流端口輸出共模電壓Vcm=0.5*(VDC+0),V<0,I>0時，工作機理也是類似的，T6,D5與D2,D3換流。

2、器件選型

圖4 650V H7產品特性

在單相戶用光伏逆變器應用中，小體積低噪音通常是產品賣點之一，這既可降低設備安裝要求，也可在運行期間減少對客戶的環(huán)境干擾，因此較高開關頻率是功率半導體器件需求之一，另外更高的效率，更好的可靠性也是此場景中產品所需具備的重要特性，這可為客戶帶來長期穩(wěn)定的經濟效益，另外單相光伏應用中，電網電壓通常為220/230VAC，逆變器的母線電壓在350-400VDC左右，綜上，高效高速的650V IGBT非常適用于該應用。英飛凌新一代650V TRENCHSTOP? IGBT7 H7產品采用最新微溝槽柵技術，在圖四的條件中，整體損耗相較前代可減少39%，同時配備全電流的新一代發(fā)射極控制的EC7續(xù)流二極管，反向恢復特性更軟，帶來更好的EMI表現(xiàn)。

此外，650V TRENCHSTOP? IGBT7 H7具有出色的防潮性能，可在惡劣環(huán)境中可靠運行。該器件通過了JEDEC 47/20/22的相關測試，特別是HV-H3TRB，符合工業(yè)應用標準，非常適合戶用單相光儲逆變器的戶外應用。650V H7系列產品電流等級為40A-150A，提供四種不同類型的封裝。

圖5 650V H7產品目錄

針對5kW/8kW/10kW這三個功率等級的Heric單相光伏逆變器進行仿真，條件如下：

對于5kW Heric光伏逆變器，可選用IKWH40N65EH7，DC-AC級轉換效率可達98.5%，最高結溫不到120℃，實際應用中可嘗試進一步提高開關頻率以提升功率密度。

5kW Heric電路仿真結果

對于8kW-10kW Heric光伏逆變器，IKWH75N65EH7可覆蓋此功率段，DC-AC級轉換效率可達98.5%，T5/T6，D5/D6損耗較小，也可考慮選擇小一號器件來優(yōu)化成本。

8kW Heric電路仿真結果

10kW Heric電路仿真結果

另外，對于單相光伏系統(tǒng)，除了主電路功率器件以外，英飛凌還提供一站式的解決方案，包含驅動IC, 如EiceDRIVER? X3 Compact，2EDi family雙通道隔離驅動系列均非常適用于此場景應用，同時英飛凌也提供微控制器產品，XMC?以及PSoC?系列可滿足不同應用需求，XENSIV?系列電流傳感器以及AIROC?系列藍牙wifi產品也被廣泛應用，大家可掃描下方“二維碼”或點擊文末“閱讀原文”，前往英飛凌官網應用詳情頁面配置系統(tǒng)，獲得個性化周邊器件推薦。

圖6 單相光伏逆變器產品選型工具

參考閱讀

單相光伏并網系統(tǒng)的拓撲結構簡介

微型逆變器綜述與英飛凌解決方案

MPPT常用拓撲原理與英飛凌實現(xiàn)方法