太陽光變頻器電路拓撲

%26#63736;%26#63736;設計一個高效能的太陽光變頻器，電路拓撲的選擇，扮演著非常重要的角色，因為電路拓撲主要關係著效率與成本，同時也可能涉及專利導致商業訴訟。

%26#63736;%26#63736;太陽光變頻器的電路架構基本上是一個採用輸出電流控制的直流轉換成交流的變流器(inverter)，圖1是併網型太陽光變頻電路架構的分類，根據輸出的電源型式可分為單相與三相，若根據輸出電流的波形，則可分為方波式、弦波、以及堆疊近似弦波等；根據轉換級數，可分為單級式與雙級式；根據轉換電壓階數，可分為二階式、三階式與多階式；根據開關切換的方式，則可分為硬切(hard switching)與柔切(soft switching)等型式[D1]-[D12]。早期的(1985-1995)太陽光變頻器多採用雙級式架構，近年來(1996-2004)新型的太陽光變頻器多採用單雙級式架構再配合柔切電路以提高系統的效率。

圖1. 併網型太陽光變頻電路架構的分類

%26#63736; 圖2為變壓器隔離型太陽光變頻器，可藉由變壓器調整電壓轉換範圍，因此可適用於寬廣的太陽光模組輸出電壓範圍，圖2(a)為低頻隔離型，優點是可採用低開關頻率、效率高，缺點是低頻輸出變壓器體積較大，輸出功率受限於輸出變壓器。圖2(b)為高頻隔離型，優點是體積較小，輸出級為電流饋入變流器，採用市電開關頻率界已降低損失，輸出功率因數大約0.9。

圖2. 變壓器隔離型太陽光變頻器

(a) Transformerless two-stage PV inverter

為了消除低頻變壓器的缺點，近年來併網型太陽光變頻器朝向無變壓器的非隔離型電路架構發展，圖3為無變壓器非隔離型太陽光變頻器。圖3(a)為兩級式非隔離型架構，前級為升壓型直流-直流轉換器，後級是一個全橋式DC-AC轉換器，直流鏈電壓約為輸出電壓RMS值的兩倍。圖3(b)為單級式非隔離型架構，其輸入電壓即為PV array的輸出電壓，因此太陽光模組必須串連產生足夠的直流鏈電壓，由於僅有單級轉換，因此可以得到較高的轉換效率。圖3(c)的輸出級包含了兩個反向的開關，其作用在於提供一個零電壓輸出(電流回流)的機制，用以降低輸出電流漣波，因此可以較低的主開關頻率達到輸出電流低總諧波失真的要求。

圖3. 無變壓器非隔離併網型太陽光變頻器的電路架構

圖4. 無變壓器多階脈寬調變併網型太陽光變頻器的電

圖5. 全橋式零電流開關脈寬調變併網型太陽光變頻器的電路架構路架構

圖6. 多線雙級式併網型太陽光變頻器

%26#63736; 圖5所示為單級半橋三階式併網型太陽光變頻器[E5]，其優點是可以耐經由多級串聯的功率晶體提高耐壓，同時因為可以產生多層階的脈寬調變電壓，因此也可以較低的開關頻率，得到相同品質的輸出波形，但是脈寬調變控制的策略較為複雜，可採用FPGA予以實現[G17]。

圖7. 單級半橋三階式併網型太陽光變頻器

%26#63736;%26#63736;圖8是單相三線式併網型太陽光變頻器，此種單級式架構可藉由六個開關提供兩組單相輸出，適用於一般住宅的單相三線式供電系統。圖9是三相三線式併網型太陽光變頻器，適用於5 kW以上的併網型太陽光發電系統。

圖8. 單相三線式併網型太陽光變頻器

圖9. 三相三線式併網型太陽光變頻器

為了發展應用於2.3 - 6.9 kV高壓系統的併網型變頻器，可採用較低耐壓的功率晶體予以串聯以提高其耐壓，因此發展出多階層變流器。目前多階層變流器(multilevel inverter)有三種主要的電路架構：二極體箝位型、電容箝位型、獨立直流電源串接型[D13]-[D16]，各有其適合應用的場合，控制上由於多個開關之間必須做到良好的同步與平衡控制，在實現技術上是一大挑戰，目前仍是學術界重要的研究議題[D17]-[D22]。

%26#63736;%26#63736;多功能太陽光變頻器也是一個值得探討的領域，就結構而言，一個多功能太陽光變頻器必須提供太陽能、負載、市電、與電池四者之間的電力流向與調節控制，除了在電路架構上必須力求精簡，轉換效率的提升與體積的縮小也是重要的設計目標，這些技術的發展，都必須結合電力電子的專業技術並配合實際需要的發展。

来源；交通大學 電力電子晶片設計與DSP控制實驗室

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