理想的太阳能光伏逆变器如何造？

全球能源行业正处在一场持续而深刻的变革之中——即从化石燃料能源，向可再生能源的转变。这个过程尽管曲折，但是对于大趋势大家早已有了共识，加之近年来智能电网、储能系统等关键技术的发展，进一步扫清了可再生能源部署和应用的障碍，其未来的发展势头将更为迅猛。

根据国际能源署（IEA）新近发布的《2024年可再生能源》报告，2024年至2030年期间，全球将增加超过5,500GW的可再生能源装机容量，几乎是2017年至2023年增幅的三倍，届时可再生能源将满足全球近一半的电力需求。

从技术角度来看，在各个可再生能源类别中，太阳能的发展非常抢眼——可以看到，其增长曲线更为“陡峭”——预计从现在到2030年，太阳能光伏发电将占全球可再生能源发电量增长的80%。

之所以太阳能光伏发电如此受追捧，是因为其具有三个显著的优势：

1、易获取：能量来自于持续不断供能的太阳，相较于其他可再生能源，受环境因素影响更小，获取也更为便利。

2、零排放：电能由太阳能光伏面板转化而来，更为清洁，有利于“双碳”目标的实现。

3、低成本：光伏发电系统建设和部署的综合成本较低，适用于大、中、小、微各类装机容量，而且建成后的发电和维护成本也较低。

正因为上述这些优势，太阳能光伏基础设施的建设和部署热度不减，除了传统的大型太阳能发电厂，近年来面向家庭（如屋顶太阳能发电）和公用设施（如太阳能路灯）的分布式光伏设施也是遍地开花，由此也带旺了整个太阳能光伏行业上下游的产业。

光伏逆变器市场趋势

众所周知，在整个光伏系统中，处于核心地位的就是太阳能光伏逆变器，其作用是将光伏太阳能板产生的可变直流电压，转换为市电频率交流电，并入电网或者直接离网供电。

光伏逆变器通常分为集中式、组串式、微型几种类型。其中集中式光伏逆变器支持高功率场景，通常应用在大型光伏电站中，市场定位比较“高冷”。而与之相较，微型和组串式逆变器多用于中、小容量的供电，定位更为“亲民”，也是近年来光伏逆变器市场上的热点。

其中，微型光伏逆变器主要用于住宅发电，同时也广泛应用于路灯和交通灯等城市基础设施的供电，未来的市场潜力巨大。而组串式逆变器具有灵活且易于安装的特点，可根据应用的要求“组合”出不同功率等级的解决方案，很好地契合了光伏逆变器市场“单套设备功率等级/功率密度不断提高，单价和体积却越来越小”的需求，因此渐成光伏逆变器市场的主流，近年来组串式逆变器的新增装机容量已经超过了集中式逆变器。

由此，敏锐的厂商在未来一定会将微型和组串式逆变器作为市场发力点。

图2：组串式（下）和集中式（上）逆变器比较（图源：安森美）

光伏逆变器的开发挑战

想要做好太阳能光伏逆变器的开发，首先需要了解其功能和架构。以组串逆变器系统为例，其主要架构包括三个部分：

太阳能电池板阵列

完成光伏能量转换，输出直流电压。

DC/DC 升压转换器

将光伏电池板的输出电压提升至直流链路工作电平；同时实现MPPT（极大功率点跟踪）功能，在不同的环境和光照条件下实现更优的光伏发电量。

DC/AC逆变器

将直流链路中的直流高压，转换为市电交流电压，驱动本地负载或并入公共电网。

图3：光伏逆变器功率转换架构（图源：安森美）

不过，如果你以为上述几个部分就是光伏逆变器的全部，那就想得太简单了。实际上，图3仅展示了作为光伏逆变器系统核心的大功率转换部分，一个完整的光伏逆变器想要实现精确、高效且安全、可靠的功率转化，还要有传感监测、控制、栅极驱动、电源管理，以及通信接口等功能电路的支持（如图4），是一个比较复杂的系统，设计时需要考量的因素也很多。

图4：光伏逆变器系统架构（图源：安森美）

了解了太阳能光伏逆变器系统架构，在确定设计蓝图之前，还要进一步把握其发展的技术趋势，这样才会让自己的设计不“落伍”且具有足够的竞争力。

具体来讲，当今光伏逆变器的技术趋势有三点：

1、第三代宽禁带半导体器件（如SiC）的引入。与传统的硅基MOSFET / IGBT相比，SiC器件可以提供更大的功率密度、更高的效率、更小的尺寸、更出色的热性能，在高电压应用中可简化拓扑结构，提升系统性能，是未来发展的大方向。因此，掌握SiC器件的应用开发，是光伏逆变器开发者的必修课。

2、更高的直流母线电压成为趋势。随着大功率需求的不断增长，采用1500V替代传统1100V母线电压的光伏逆变器，可以有效减小电流、降低给定功率下的互连成本，支持更高功率的应用。当然，这也势必引发相关元器件和组件的升级。

3、随着应用场景的多元化，光伏逆变器的拓扑也走向多样化。这就要求开发者有能力在需求、性能、成本等诸多因素之间进行权衡，根据实际要求选择更合适的解决方案。

综上所述，设想你是一个光伏逆变器的设计工程师，摆在你面前的有多重挑战：既要应对系统设计的复杂性，又要面对应用场景的多样化，还要关注技术发展趋势，此外也要根据实际目标应用，在可行性和经济性等方面进行权衡……这样的工作并不轻松。

光伏逆变器一站式解决方案

如何让不轻松的事情变轻松？这是一个痛点，也是一个彰显实力的机会。这样的机会，安森美 (onsemi) 把握住了！

为了减轻开发者的工作负荷，缩短产品的研发周期，安森美和Würth Elektronik联手，面向微型和组串式太阳能逆变器研发，推出了一站式的解决方案。

图5：安森美和Würth Elektronik合作推出的光伏逆变器解决方案（图源：安森美）

仔细观察，我们会发现：所谓“一站式”解决方案，并未虚名，而是有“真材实料”。

首先，从图5可以看出，这个解决方案涵盖了光伏逆变器系统的各个部分，非常全面这主要得益于安森美丰富的产品线，不仅可以提供功率集成模块（PIM)、SiC分立器件、IGBT等核心功率器件，还包括配套的栅极驱动器、传感、控制、外设电源，以及通信与接口等产品，可谓是360°无死角覆盖。

其次，在方案中整合无源元件是一大亮点，也是一个显著的差异化优势。以往半导体公司提供的解决方案，通常仅专注于有源器件，而在实际设计过程中，配套无源元件的选型、系统匹配，会占用开发者大量的时间和精力，有时候还会成为“致命”的瓶颈。而知名大功率无源和机电元件制造商Würth Elektronik的参与，令这项工作大为简化，而且其在电磁兼容性方面的专业知识，还可确保客户在从家用到工业应用的各种功率等级的产品上，都获得可靠的性能。

再有，这个太阳能光伏逆变器方案还具有极强的可扩展性，以满足不同应用场景、不同功率等级、不同拓扑结构的设计要求。不论是采用分立器件还是PIM模块化设计，不论是采用高性价比的硅基器件还是先进的SiC方案，不论是聚焦于大功率转化功能还是寻求完整的系统级方案，你都可以从这一方案的中，找到对应解决之道。

表1：安森美和Würth Elektronik光伏逆变器解决方案BOM中的关键元器件（图源：安森美）

光伏逆变器BOM中的亮点

值得一提的是，安森美和Würth Elektronik光伏逆变器解决方案不仅从整体来看具有显著的差异化优势，而且如果深入探究方案的BOM（见表1），也会发现其中每一颗“料”都极具特点，可圈可点。

比如用于DC-DC转换的预充电（Precharger）功能的NDSH50120C SiC二极管，得益于SiC材料出色的性能及安森美独特的工艺，该SiC二极管无反向恢复电流、开关特性不受温度影响，且具有出色的热性能，在提供出色的开关性能同时，还具有比硅器件更佳的可靠性，对于提高系统效率、提升工作频率、提高功率密度、降低EMI、减小系统尺寸并降低成本而言大有帮助。

而且，NDSH50120C与硅基解决方案有很好的“兼容性”，这意味着无需对电路设计进行大的改动，即可将SiC器件的性能优势引入到系统方案中，令系统性能得到很好的改善。