逆变器常用拓扑



光伏漫谈4- 逆变器拓扑结构

光伏逆变器作为光伏发电的核心设备，其拓扑结构主要包括以下几种：

工频隔离逆变器：

结构：采用工频50Hz变压器实现功率传输，由整流桥、滤波和工频变压器组成。特点：结构相对简单，但受限于体积较大的变压器，实际应用中较少使用。

高频隔离逆变器：

应用：在微型逆变器中较为常见，需要交流与直流侧隔离以保障人体安全。结构：采用高频隔离，显著减小体积。常用拓扑：包括昱能的250W微型逆变器、禾迈MI700的交错反激拓扑以及不含直流母线串联谐振的拓扑。差异：前两种拓扑在高压电容使用、控制复杂度和效率上有所差异；后者无需高压电容，但需要增加低压大电容，控制简单，适合小功率应用。

非隔离逆变器：

原理：通过直接将光伏输入升压至工频信号，实现组串式逆变。特点：相比隔离型逆变器，效率更高、成本更低，但存在零点偏移、直流分量等问题。解决方案：采用交流或直流旁路方式隔断DC分量，专利H5技术通过5个开关管实现了直流旁路逆变器，通过交替控制实现完整的正弦输出。

组串式逆变器NPC拓扑：

类型：包括I型NPC结构和ANPC结构。特点：效率高、谐波小。差异：I型NPC结构正负半周期由不同的IGBT承担开关损耗；ANPC结构通过在每个IGBT旁并联IGBT来平衡内外管之间的损耗。T型三电平拓扑：通过减少开关损耗提高效率，但需要IGBT耐压达到母线电压的两倍，适用于低压系统或高压功率管应用。

总结：光伏逆变器的拓扑结构多种多样，每种结构都有其独特的特点和适用场景。随着功率器件特性和耐压的提升，以及学术研究的深入，未来将有更多创新的逆变器拓扑结构出现，进一步提升应用效率、降低体积和成本。

heric拓扑的优势,为什么单项光伏逆变器通常选用heric拓扑?

非隔离型单相并网逆变器在小功率光伏发电系统中广泛应用，因其体积小、效率高等特点。然而，在并网系统中，由于缺少变压器，光伏电池板与电网间存在多处分布电容，功率器件在高频开关时会导致共模电流的产生。为了保障人员和设备安全，必须对地漏电流进行有效抑制。针对此问题，常见的优化策略有两种：一是采用H桥拓扑并结合双极性PWM调制，可以有效抑制共模电流，但存在开关损耗较大及输出电压幅值跳变的问题；二是提出H5、H6等改进型拓扑，分别在效率与共模电流抑制之间寻求平衡，但它们在成本或效率上存在局限。Heribert Schmidt等学者提出了一种新颖的拓扑结构，即Heric拓扑，仅需增加两个功率器件，即可实现输出共模电压的相对稳定，同时提高整体效率，从而被广泛应用在单相并网逆变器中。

Heric电路通过增加T5/D5与T6/D6两个功率器件，滤波电感在续流过程中提供了双向电流通路，从而控制输出共模电压相对稳定。这种拓扑结构下，功率因数为1时，T5与T6在工频下进行开关操作，正半周期T1与T4进行高频开关，关断时通过T6与D5进行续流，负半周期则同理。T2、T3与T5、D6进行换流，保证逆变器AC端口的共模电压输出相对稳定，基本维持在VDC/2。

在Heric电路需要向电网注入无功电流时，T5、T6则需要在输出电压电流反向区间内分别进行高频开关，以适应输出滞后无功电流的情形。例如，当输出电压V大于0而电流I小于0（规定电流流出H桥为正）时，T1-T4均关断，T5导通，电感电流通过T5与D6进行续流，T5关断时电感电流通过D1与D4流通。同样地，当输出电压V小于0而电流I大于0时，T6、D5与D2、D3进行换流。

在单相户用光伏逆变器的应用中，追求小体积和低噪音是产品设计的关键目标之一，这不仅降低了设备的安装要求，也为用户在运行期间提供了更加宁静的环境。因此，较高的开关频率是功率半导体器件的重要需求之一，而更高的效率和更好的可靠性则是产品设计中不可或缺的特性，有助于为客户提供长期稳定的经济效益。在单相光伏应用中，电网电压通常为220/230VAC，逆变器的母线电压在350-400VDC左右，因此，适合应用高效高速的650V IGBT，以满足这些场景中的需求。

英飞凌新一代650V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7产品采用最新的微沟槽栅技术，相比前代产品整体损耗可减少39%，同时配备新一代全电流的发射极控制EC7续流二极管，具有更好的EMI表现。此外，该器件还具备出色的防潮性能，可在恶劣环境中可靠运行，且已通过JEDEC 47/20/22的相关测试，特别是HV-H3TRB测试，符合工业应用标准，非常适合户外应用的户用单相光储逆变器。

对于5kW、8kW至10kW功率等级的Heric单相光伏逆变器，可选用相应的IKWH40N65EH7和IKWH75N65EH7产品，DC-AC级转换效率均可达到98.5%，而T5/T6、D5/D6的损耗较小。在成本优化方面，根据具体需求考虑选择合适大小的器件。此外，英飞凌还提供了一站式的解决方案，包括驱动IC（如EiceDRIVER™ X3 Compact、2EDi family双通道隔离驱动系列）、微控制器产品（如XMC™、PSoC™系列）、以及用于测量和控制的XENSIV™系列电流传感器和AIROC™系列蓝牙wifi产品，以满足不同应用需求。

电路拓扑结构是什么

电路拓扑结构是指电路中电子元件之间的相互连接方式。开关电源常用的基本拓扑结构约有14种，每种拓扑结构都有其独特的特点和适用场合。一些拓扑结构适用于离线式（电网供电的）AC/DC变换器，例如小功率输出或多组输出场合。有些拓扑结构在相同输出功率下使用器件较少，或在器件数与可靠性之间有较好的折中。输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑结构时需要考虑的因素。

电路拓扑是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，AC/DC和DC/DC的电路拓扑结构是一样的，AC经过整流滤波后就是DC270V了。主要的拓扑结构包括反激、单管正激、双管正激、半桥、全桥和LLC谐振。

两电路有相同的拓扑结构意味着它们的连接方式相同。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化。

拓扑电路是指电路的组成架构。例如，要完成AM广播信号的声音还原，可以采用直接接收、放大、检波滤波来还原声音，也可以采用超外差接收、放大、检波滤波来完成。这就是两种拓扑电路。

电路拓扑是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化。

拓扑结构的开关电源拓扑随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多，常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中，半桥电路中，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

拓扑结构的逆变器是指目前采用的逆变器拓扑结构，包括全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、推挽逆变拓扑、正激逆变拓扑、反激逆变拓扑等。拓扑结构的选择和逆变器额定输出功率有关。对于4kw以下的光伏逆变器，通常选用直流母线不超过500V，单相输出的拓扑结构。

电路的拓扑结构是指电路的连接关系，或组成电路的各个电子元件相互之间的连接关系。例如，开关电源电路有几种典型的结构，如Buck，Boost，反激，正激，半桥，全桥等，实际电路也都是以这些结构为基础再进行具体化的。

Heric拓扑的优势，为什么单项光伏逆变器通常选用Heric拓扑？

1. Heric拓扑为何在单项光伏逆变器设计中备受青睐？

2. 美国UL标准如何影响光伏逆变器的全球市场？

3. UL 62109-1的实施为逆变器制造商带来了哪些新机遇？

4. 欧洲市场对光伏逆变器有哪些更为严格的标准和要求？

5. 不同国家如何根据自身需求采纳和制定相关标准？

6. Heric拓扑在光伏逆变器中的应用有哪些显著优势？

7. 为何采用Heric拓扑的光伏逆变器能一次认证，多国通用？

8. ATS全测检测如何帮助制造商简化全球认证流程？

9. 为何选择ATS全测检测作为逆变器认证的服务提供商？

10. 如何获取关于Heric拓扑和全球认证的更多信息和帮助？

单相小功率逆变器拓扑

单相小功率逆变器拓扑主要包括以下几种：

H4单相全桥拓扑：

这是传统小功率逆变器常用的拓扑结构。但存在漏电流问题，需要通过改变调制策略或增加额外电路来解决。

H5拓扑：

由德国SMA公司推出，从根本上解决了漏电流问题。是一种改进型的拓扑结构，相比H4具有更高的效率和更低的漏电流。

H6拓扑：

在抑制共模电流方面表现出色，相比H4拓扑具有优势。采用单极性SPWM调制，产生高频SPWM输出波形。通过6个开关管驱动波形，实现高频和低频开关管的优化配置，以减少损耗和提高效率。

双Buck拓扑：

另一种解决漏电流的拓扑结构。在提高效率方面也有很好的表现。

总结： 单相小功率逆变器拓扑的选择需要综合考虑效率、漏电流抑制、共模电流抑制以及成本等因素。 H5、H6和双Buck拓扑是近年来在解决漏电流和共模电流抑制方面表现较为出色的拓扑结构。 在实际应用中，应根据具体需求选择合适的拓扑结构，并通过优化控制策略和合理配置电路组件来进一步提升逆变器的性能和可靠性。

三电平逆变有什么优势?

英飞凌工程师为您解答：三电平逆变器拓扑的优势

随着对逆变器的功率密度、效率、输出波形质量等性能要求的提升，中点钳位型三电平拓扑逆变器已经广泛应用于光伏、储能、UPS、APF等场合。典型的三电平拓扑有二极管型NPC、Conergy NPC、有源NPC。

相比于传统的两电平逆变器，三电平逆变器具有以下优势：

损耗减小，开关频率提升，系统成本降低：如NPC1拓扑中开关器件的电压可减小为原来的一半，大幅降低器件开关损耗，可通过提高母线电压减小输出端的电流，减少输出线缆成本。

器件可靠性提升：在同样电压等级的系统中，三电平拓扑中器件承受的阻断电压降低，提升器件的可靠性。

改善电磁干扰EMI：由于开关过程中器件的dv/dt大幅降低，系统电磁干扰得到改善。

当然，三电平拓扑也存在一些劣势，如器件成本增加、控制算法复杂度提升、损耗分布不均衡和中点电位波动等问题。但得益于其独特优势，三电平拓扑在众多场合得到广泛使用。

常见三电平拓扑介绍

NPC 1

电流路径：蓝绿色线条为导通电流路径，紫色线条为对应的零电平换流路径。功率因数为+1对应①和②两种模态，功率因数为-1对应③和④两种模态。

损耗分布：以F3L225R12W3H3器件为例，在逆变工况时，NPC1的损耗主要集中在T1/T4管，包括导通损耗和开关损耗；在整流工况下，损耗主要集中在D1/D4管和T2/T3管。

NPC 2

电流路径：在NPC2拓扑中，用一对共射极或共集电极的IGBT和反并联二极管代替NPC1二极管钳位的功能，T1/T4管承受全母线电压，T2/T3管承受半母线电压。

损耗分布：在NPC2拓扑中T1/T4为高压器件，开关损耗较大，但由于电流路径上的开关器件数量减少，导通损耗更小，因此NPC2拓扑在中低开关频率的系统中效率更优。

ANPC

电流路径：ANPC拓扑通过拓展两条零电平换流路径，通过对零电平换流路径的选择和控制可以实现更均衡的损耗分布和更小的换流回路杂感。不同调制算法会产生不同的损耗分布。

英飞凌提供的产品

英飞凌提供适用于不同逆变器设计需求的功率器件，包括家用、商用和电站级逆变器。产品包含OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™ MOSFET、IGBT、Easy 1B/2B模块、功能性集成型产品EiceDRIVER™栅极驱动器IC和XMC™控制器等。

三电平Easy 1B/2B模块

Easy B系列模块提供600V、650V和1200V电压以及6A至200A电流。模块涵盖PIM和三相两电平全桥配置，以及桥式整流器、半桥、H桥式、三电平全桥和三电平单相模块。模块采用灵活网格引脚与新型IGBT芯片技术相结合，易于集成PIM配置，并采用新型TRENCHSTOP™ IGBT7技术，在Easy 1B封装中集成25A PIM。

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一种应用于200kW+组串式光伏逆变器的IGBT模块方案

1500Vdc系统光伏逆变器拓扑结构介绍

1500Vdc逆变器主流采用NPC1，NPC2，ANPC三电平方案及五电平方案。五电平方案控制复杂，功率器件更新困难，三电平方案成为主流。拓扑结构与新晶圆技术相辅相成，更高耐压速度晶圆简化拓扑结构。NPC1与ANPC使用低耐压器件，ANPC增加两IGBT，驱动更复杂但自由度更高。英飞凌F3L400R10W3S7F_B11模块采用ANPC拓扑，助力200kW以上功率逆变器。

ANPC与NPC1模块解决方案比较

ANPC拓扑在相同功率下采用更小晶圆，降低成本。以F3L400R10W3S7F_B11模块为例，使用ANPC拓扑，钳位二极管只需100A SiC二极管，而NPC1至少需300A Si二极管。ANPC拓扑损耗分布更均匀，长、短换流回路优势明显。

钳位二极管采用SiC二极管助力效率提升

SiC二极管在恶劣条件下稳定快速恢复，降低反向恢复损耗。与Si二极管相比，SiC二极管反向恢复电流小，降低开通损耗。200kW 1500Vdc组串式光伏逆变器仿真结果显示，采用SiC二极管的ANPC模块效率显著高于纯Si的NPC1模块。

英飞凌F3L400R10W3S7F_B11模块特点及调制方法推荐

模块采用四块两慢的调制方式，L7晶圆适用于工频切换，S7晶圆适用于高频动作。在低电压穿越情况下，推荐采用图8调制策略，形成两个零电平回路，有效降低SiC二极管热应力，提高系统可靠性。

结论

本文介绍了1500Vdc组串式逆变器拓扑结构，ANPC与NPC1拓扑比较，英飞凌F3L400R10W3S7F_B11模块特点及调制策略。SiC二极管的应用显著提高了模块效率。低电压穿越下推荐使用改进调制策略，降低SiC二极管热应力，提高系统可靠性。

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