功率模块的技术突破让组串式逆变器产生质的飞跃

 2013年前，在地面电站使用集中式逆变器，分布式小电站使用组串式逆变器，随着组串式逆变器功率越做越大，大型地面电站也开始使用组串式逆变器， 有关两种方案的争论也一直没有停过，两种方案各有优缺点，集中式逆变器优势中功率器件少，可靠性高，缺点是MPPT数量少，电压范围窄；组串式逆变器优势是MPPT数量多，电压范围宽，缺点是功率器件多，可靠性低。

功率开关器件是逆变器最核心的器件之一，承担电流的转换工作，长时间工作在高温，高电压，大电流状态，是逆变器最容易出故障的器件，每一个功率器件就是一个故障点。光伏逆变器中的功率开关器件主要是指分立器件功率MOSFET和功率模块IGBT。早期的中功率组串式逆变器，一般采取分立器件，由于功率MOSFET电流都比较少，一般都采取多个器件并联的方式。50KW逆变器采用分立器件来设计，需要60多个，这么多开关器件堆在一起，会产生一系列的问题。如均流，电磁干扰等等。

大家都知道，功率开关管的失效模式是过压，过温，过流。分立元器件由于器件多，元器件之间距离比较远，所以电路杂散电感大，造成工作时尖峰电压高，元器件容易出现过压损坏；多个元器件并联，阻抗不一致，每一个元器件电流就不一样，阻抗低的元器件电流大，很容易过流；分立器件单端固定，接触面积小，散热很难保持一致，很容易过温。

早期的采用分立元器件的中功率组串式逆变器，在运行过程中出现过多故障，让人们对中功率组串式逆变器的前程提出了怀疑。不过直到Vincotech和infineon先后推出了包含多个元器件的功率模块改变了这一现状。

下面中Vincotech专为中功率组串式逆变器推出的IGBT功率模块，前级升压采用双Boost功率模块，由2个IGBT和4个二极管组成，包含boost模块的开关器件和二极管外，还包含跨接二极管。电压为1200V，电流为50A，一个模块相当于8个分立器件。模块具有很高的灵活性。由于把大功率的Boost电路一分为二，它在得到Boost电路的升压、高效优势的基础上，通过选择双Boost电路的并联方式（直接并联、交错正向并联、交错反向并联）和占空比的大小，可以取得理想的双Boost电路纹波和减少磁性元器件体积。


后级采用高效MNPC三电平IGBT模块，由4个50-80A的IGBT组成，一个模块相当于8个分立器件。采用中点钳位型的T型三电平结构，损耗低效率高，元器件承受的电压低，寿命长。


相对于MOSFET，IGBT饱和压降低，容易实现高压、大电流化，在中大功率逆变器占主导地位。而IGBT模块比分立的IGBT单管具有更高的可靠性和安全工作区。光伏逆变器前级采用双BOOST升压的IGBT功率模块，后级采用三电平IGBT功率模块，是目前中功率光伏逆变器最佳的方案。

（1）减少功率器件的个数，50KW采用功率器件来设计只要5个，数量比同规格的集中式逆变器还少，而采用分立器件来设计，前级升压需要15个，后级三电平逆变需要48个。整体面积缩小30%以上，可以提高整机功率密度。

（2）单个功率模块的安装面积比分立元器件散热面积大，在安装上也有很多优势，双端紧固，一体化专用夹具，相对于分立器件单端固定，接触面积更大，应力更小，可靠性更好。功率模块内部集成一个温度感应器，测量精度高，能更准确地检测器件结温，有利于过热保护。

（3）IGBT和母线电容连接导线会产生杂散电感，在IGBT关断的过程中，由于电流快速变化，在IGBT上产生电压尖峰，会造成严重的电磁干扰，增大器件电压应力。寄生电感会随着电流的增加、连接导线尺寸增大、距离增长而增大。功率模块结构紧凑，各功率开关器件之间连接线很短，可以减少电路中的杂散电感，提高逆变器的可靠性。

（4）1200V 的IGBT和1200V的SIC二极管相结合，开关频率更高，可以提高效率，减少电感的容量。

（5）相对于分立器件，功率模块不足之处是单位面积热耗大，整体散热面积小，功率在30KW以上如果采用自然冷却的方式散热，在环境温度高于40度时，会出现过热保护。但采用强制风冷的方式散热，就可以完全避免这个问题。

总结：采用功率模块和母线薄膜电容的组串式逆变器，兼具了集中式逆变器功率器件数量少，薄膜电容寿命长，整体可靠性高的优点，和组串式逆变器MPPT电压范围宽路数多、逆变器体积小重量轻搬运安装方便等优点。因此说功率模块的出现，在新技术出现之前，可以让组串式逆变器和集中式逆变器之间的路线之争暂时告一段落。

古瑞瓦特2016年下半年推出的Growatt 30000TL3-S到Growatt 50000TL3-S中功率系列逆变器，全部采用功率模块和母线薄膜电容，配置组串检测，熔丝保护，交直流防雷模块，防PID模块和AFCI模块。经过近半年的应用，得到了客户的高度评价。