基于新型半导体的微型逆变器拓扑结构及应用

张从峰

（深圳博华新能源技术有限公司, 广东 深圳 518118）

逆变器是光伏发电、储能系统、轨道交通和新能源汽车等领域的核心部件之一，负责实现直流电（direct current, DC）与交流电（alternating current, AC）的转换，其输入电压、输出电压、频率以及整体功率取决于设备的电路设计，自身不产生任何功率[1-2]。在光伏发电领域，光伏组件在阳光照射下发出的是波动的直流电，而电网及大部分负载通常在频率恒定的交流电下运行，需要使用逆变器将光伏组件产生的直流电转换为交流电；此外逆变器还要跟踪光伏组件阵列的最大输出功率点，使电能以低损耗、高质量的方式并入电网[3]。

如图1所示，光伏逆变器主要包括集中式、组串式以及微型逆变器3类，这也体现了光伏逆变器的3个发展阶段。集中式逆变器可将大量并行的光伏组串在直流端汇集后进行集中逆变并入电网，其优势在于较低的建设成本和高转换效率，劣势在于易受不同光伏组件不同状态的影响，实际发电效率较低[4]。为了提升电站整体收益率，组串式逆变器开始广泛应用于光伏发电领域，其对光伏组件进行单独最大功率点跟踪及逆变，电流在交流侧汇流并入电网。组串式逆变器建设成本较高，但其缓解了单块光伏组件影响电站整体发电效率的问题，是目前光伏发电市场的主流[5]。下沉至组件级的微型逆变器则可对1块或几块光伏组件进行单独最大功率点跟踪及逆变，具有最大限度发挥太阳电池性能和系统故障保护的功能优势，不会因某1块组件的功率下降而拉低整串组件的输出功率；并且得益于模块化的设计，维护与检修效率也大大提高[6]。但微型逆变器也存在一定的劣势，例如建设成本较高以及单个模块功率转换效率略低。

近些年来，由于光伏发电系统内直流电压可达600～1 500 V，存在“高压风险”和“施救风险”这2种安全隐患[7]，为了确保光伏发电系统的安全、可靠和高效，美国最早提出组件级关断的概念，并执行相关强制性法规[8]。随后各国相继出台相关政策法规。得益于各国政府对于光伏发电系统安全性的要求，因为组件电压需要降至安全范围，微型逆变器已成为光伏发电领域的研究热点之一。微型逆变器还可缓解光伏发电中存在的遮阳和污垢问题，降低实际成本。本文归纳总结了目前微型逆变器的拓扑结构及其在各领域的应用，并展望其未来发展方向。

1 微型逆变器的拓扑结构

微型逆变器的拓扑结构通常可以根据是否使用多级转换器来分为单级、多级拓扑结构。其中多级拓扑结构还可以根据第1级电路产生的是直流电还是交流电，分为DC-DC-AC结构或DC-ACAC结构。按照上述分类方式，可将微型逆变器的拓扑结构分为3类：单级拓扑结构、DC-DC-AC多级拓扑结构、DC-AC-AC多级拓扑结构。除此之外，微型逆变器的拓扑结构还有多种分类方式，包括根据是否使用解耦电容、是否在DC端和AC端间设计电隔离部分、AC端输出的电力为单相电还是多项电等，通常需要依照具体的应用场景选择对应的微型逆变器拓扑结构。

使用单级拓扑结构的微型逆变器降低了能量变换级数，减少了半导体器件的使用，因此功率转换损失较小，转换效率较高。但是受限于结构，其电流转换、最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）、升压并网等功能都要在单级结构内完成，电路设计难度较高。多级结构的目的是实现较为高效的MPPT，获取光伏电池的最大输出，提升光伏系统的整体发电效率。相较于单级拓扑结构，多级拓扑结构对功率转换效率和逆变器体积均有一定的影响。

1.1 单级拓扑结构

如图2所示，使用单级拓扑结构的逆变器能在单级内完成电压的转换和输出，因此单级式微型逆变器具有成本低、体积小、效率高的优点。但也正因如此，单级式微型逆变器通常难以对功率转换等功能实现较为复杂的精确控制。目前，学者们已从优化电容、优化电感、优化线路结构、削减漏电流、优化控制方法等方面尝试改良单级式微型逆变器的拓扑结构。

图2 单级拓扑结构示意图Fig. 2 Single stage topology schematic

1.1.1 优化电容

为了改进双Boost逆变器使用电容值较大的电容会导致其寿命较短与稳定性能较差的缺陷，Ribeiro等[9]提出一种改进的全桥微型逆变器，在电路中使用额外的2个二极管和1个电感来形成双Boost逆变器结构，该结构使用直流部分的电容实现并网时的功率解耦。相较于其他基于双Boost的拓扑结构，该结构使用寿命更长、稳定性更好，从而提高了微型逆变器整体的寿命与稳定性。胡海兵等[10-11]也从电路中的解耦电容入手，提出了具有功率解耦功能的3端口单级微型逆变器。其通过在传统Flyback电路结构中加入新绕组构成第3个端口，实现了3端口结构，并且利用第3个端口实现功率解耦功能，提升了微型逆变器的稳定性、寿命和功率变换效率。

Buck-Boost型逆变器还存在着需要电解电容储能，导致整体寿命稳定性下降的问题。对此，王立乔等[12]提出一种单级单相无电解电容Buck-Boost逆变器拓扑结构，该拓扑使用1个低值直流储能电感替代电解电容的功能，整体开关器件和无源器件数目较少，降低了成本和体积，提高了可靠性、使用寿命和功率密度。

1.1.2 优化电感

Fang等[13]提出了一种含1个耦合电感的双Boost单级微型逆变器结构，通过调整Boost变换器中的主电感来实现高效率，具有结构简单、升压输出交流电、体积小、效率高等特点。该微型逆变器使用扰动观察法对电路进行控制，使用1个比例积分（proportion integration, PI）控制器对光伏组件的参考电压与实际电压进行比较，修正逆变器输出电流。基于类似的电路结构，Abramovitz等[14]提出了具有更高升压比的单级微型逆变器。当此逆变器将48 V直流电转换为110 V交流电时，峰值效率可达89.3%。针对双光伏组件输入不平衡的情况，郭淑新等[15]提出一种一拖二的改进型Aalborg逆变器拓扑，通过使用耦合电感替换传统直流电感的方式，改善了逆变器电源输入不平衡时转换效率低下的情况。

1.1.3 优化线路结构

基于Cuk变换器，Rajeev等[16]提出了一种无电隔离的单级微型逆变器，其使用双Cuk拓扑结构，通过将1个非逆变Cuk变换器和另1个后端的逆变Cuk变换器连接，实现了单级微型逆变器的MPPT控制，通过对比参考电压与光伏组件瞬时产生电压的差值，由PI控制器在最大功率点产生电流，并使用锁相环与电网交流电同步。而基于Buck变换器，孙运凯[17]提出了一种基于正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation, SPWM）的逆变器。由于使用了双降压式半桥微型逆变器拓扑结构，此逆变器简洁可靠，并且无桥臂直通问题，可以实现功率开关管和续流二极管的最优设计，减少开关损耗。

1.1.4 削减漏电流

单级式微型逆变器作为一种主要由功率器件组成的开关电路，不可避免地存在流向地面的漏电流。为了尽可能地消除漏电流现象，Vazquez等[18]提出了一种新型无共模逆变器的微型逆变器拓扑结构，该结构主要通过将电网中性点与光伏组件的负极相连的方式，来消除光伏组件上泄露到地面的漏电流。但是这种微型逆变器使用的控制方法较为复杂，并且需要使用较多的无源器件，导致整体功率转换效率降低，还需对其进一步优化以满足实际使用需求。

同样为了解决漏电流问题，Xia等[19]提出了一种双向单级式微型逆变器，其基于非对称的半桥逆变器拓扑结构，使用直流链路电容器作为MPPT电压源，改善了单级式微型逆变器的漏电流问题。陈才学等[20]则对Heric拓扑进行改进，采用准双向电压开关单元的结构，在减少高频开关管个数的同时，通过中点钳位的方式避免了电路相对悬空的问题，抑制了漏电流的产生。马海啸等[21]在H7型逆变器拓扑上增加了钳位电路，实现了逆变器共模电压在续流状态内保持稳定的功能。

1.1.5 优化控制方法

基于对微型逆变器控制方法的优化，Zhang等[22]提出了一种单级全桥微型逆变器并提供了相应的控制策略，可减少开关损耗、优化电网电流。通过使用1个PR控制器对逆变器进行混合滞后电流控制，改善了并入电网的电流质量。基于零电压开关（zero voltage switching, ZVS）技术，Chakraborty等[23]提出了一种使用双有源桥构建的高频微型逆变器，通过控制策略实现了对直流电压和交流输出电压的调控、以及功率解耦等功能。

1.1.6 新材料器件

得益于新型的宽带隙半导体器件具备的更高的转换效率和开关频率、更高的工作温度和工作电压等特性，一些学者使用宽带隙半导体器件改进了微型逆变器的拓扑结构。闫琪等[24]提出了一种基于GaN器件的双Buck逆变器拓扑结构，通过引入GaN器件提高开关频率，从而解决拓扑自身电感较大的问题。通过验证，该逆变器最高效率可达98.63%。李杰[25]提出了一种高频高效的GaN逆变器拓扑结构。为提高功率密度通常需要提高电路的开关频率，但传统技术需要额外辅助电路以避免高频带来的开关损耗，这反而阻碍了功率密度的提升。使用开关速度高、导通电阻低的GaN器件，可在提高开关频率的同时提高电路功率密度，并避免使用额外电路。与普通的Si绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistors, IGBT）相比，宽禁带的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET）对寄生参数更加敏感。秦宇[26]提出一种基于SiC MOSFET的三电平逆变器，该逆变器拓扑可充分发挥MOSFET器件的高效高功率密度特性，可抑制回路震荡并避免器件误导通。

1.2 DC-DC-AC多级拓扑结构

多级微型逆变器电路多使用DC-DC-AC拓扑结构（见图3）。其中初级使用的DC-DC转换器电路，主要是实现升压与MPPT功能；次级使用的DC-AC逆变器电路或翻转电路，是负责将直流电转换为交流电，并控制输出电流与电压，进行并网操作。这种多级拓扑结构简单，控制策略清晰。但相较于单级式，多级的拓扑结构导致逆变器体积变大，功率转换损失增加。目前DC-DC-AC多级拓扑结构是微型逆变器的研究热点之一，多位学者从技术改进和应用改进等方面对其进行了优化。

图3 DC-DC-AC多级拓扑结构示意图Fig. 3 DC-DC-AC multi stage topology schematic

1.2.1 优化电容

从电路中的解耦电容入手，Li等[27]提出了一种无电解电容的模块集成隔离式微型逆变器，前级使用双Boost电路交错并联控制，后级使用全桥逆变器电路。该拓扑结构使用谐振抑制技术减少直流部分的电容需求，并使用薄膜电容取代电解电容，从而实现了较高的转换效率和MPPT精度。

1.2.2 优化电感

为改善基本Boost电路的工作条件，胡志杰[28]在Boost电路中引入耦合电感，增强前级的电压调节能力，提出了一种单相双模式两级型全桥双Buck逆变器拓扑。该拓扑前级使用并联的改进版Boost电路，通过降低前级输入电流，抑制输入电流的波纹，后级使用双Buck电路结构，以消除全桥逆变电路中的控制死区时间，提高逆变效率，并给出了一种双模式的控制方法，为电路提供多电平的输入电源，减少谐波的产生。郭强[29]提出了一种高增益两级式逆变拓扑结构，同样是在前级并联Boost电路中使用耦合电感，提高了前级调节控制的自由度。并且在此基础上还在前级加入了无源钳位电路，回收了耦合电感的漏感能量，实现高增益两级式光伏逆变器。

1.2.3 优化线路

通过增加旁路电路规模，Cha等[30]提出了一种两级微型逆变器。其中DC-DC阶段使用有源Flyback电路，并在电路中变压器次级部分串联1个谐振电压倍增电路，这种有源钳制电路通过限制有源功率半导体上的电压，减少了功率变换损耗，提升了直流升压比。后级则使用双Buck逆变器电路，完成DC-AC的逆变工作。Zhao等[31]提出了一种由谐振电路和全桥DC-AC逆变器电路组成的微型逆变器拓扑结构，其中前级谐振电路可实现零电压导通，后级全桥逆变器采用混合脉宽调制模式。Shen等[32-33]还针对多级微型逆变器中的DC-DC部分进行了深入研究，提出了一种新的串联谐振式直流电转换器。这种基于双模整流器的DC-DC转换器的拓扑结构能够在各种电压输入下运行，并且有着较广的电压增益范围，控制策略更灵活，开关损耗大幅减少。为了应对复杂的微型逆变器应用场景，Chiang等[34]提出了一种由推挽式变换器和全桥DC-AC逆变器电路组成的拓扑结构，通过在前级布置用于有源钳制的电流馈电电路，该拓扑结构可以在3种控制策略模式下运行，包括向电网供电的并网模式、连接电网但不供电的线路互动模式和直接向负载供电的独立模式，较好地满足了复杂环境中的应用需求。

1.2.4 削减漏电流

Arshadi等[35]提出了一种通过负极接地消除光伏系统中漏电流的微型逆变器拓扑结构，该拓扑由前级单开关高升压的DC-DC转换器电路构成，后级使用半桥DC-AC逆变器电路，整体结构简单、控制简单、转换效率较高，是一种性能较好的微型逆变器拓扑结构。

1.2.5 优化控制方法

Öztürk等[36-38]介绍了一种基于DSPIC控制器的微型逆变器拓扑结构。该拓扑由前级的Flyback电路和后级的全桥DC-AC逆变器电路组成，研究人员通过1个低成本的微控制器电路实现了多种控制方法。相较于其他拓扑结构，这种结构节省了载波信号生产电路和相位检测相关电路，MPPT和并网相关的参数由微处理器进行数字合成产生，是一种体积紧凑、成本低廉的微型逆变器拓扑结构。同样是针对Flyback电路与全桥逆变器电路，Lee等[39]通过新的混合模式控制策略，减少变压器和控制电路的压力，进而提升微型逆变器性能和稳定性。Falconar等[40-41]提出了一种无电流传感器的控制策略，通过最小化控制算法的测量噪声，在降低成本的同时展现了优越的功率转换性能。孙瑞东等[42]提出了一种二次功率解耦控制策略，通过增加电流环有功指令的前馈解耦控制方法，抑制了输入侧的纹波电流，提高了前级负载突变时的响应速度，实现了前后级之间的二次功率解耦。

1.2.6 三相拓扑改进

针对三相电系统，Chen等[43-44]提出了一种三相平衡的微型逆变器拓扑结构。前级使用谐振式DC-DC转换器电路，并进行MPPT进行电流控制。后级使用三相电DC-AC逆变器电路，研究人员使用了1个三环路控制器，控制逆变器电路对三相电进行平衡。此外还额外使用1个直流控制器，维持链路上直流电压的稳定。该拓扑结构实现了三相电逆变并改善了系统响应。Feng等[45]提出了一种无电容的三相两级微型逆变器，前级DC-DC部分由2个交错的Flyback转换器和1个三次谐波注入电路组成，后级DC-AC部分由三相电流源逆变器电路组成，并且使用滤波器进行输出滤波。基于此拓扑结构制成的微型逆变器在实现了结构紧凑、寿命长和转换效率高的同时，还提供了较大的无功率控制范围，并具备三相输出平衡等性能。

1.3 DC-AC-AC多级拓扑结构

如图4所示，微型逆变器中的DC-AC-AC多级拓扑结构一般由初级的DC-AC逆变器电路和次级的AC-AC变频器电路组成。在初级电路部分，光伏组件的直流电压被转换为高频交流电压，并通过将数个电容器并联在光伏组件上来实现功率解耦。在次级电路部分，高频交流电通过变压器进行升压，连入AC-AC变频器，通过调节输出电流完成并网。由于解耦电容的使用，这种拓扑结构可能存在稳定性与寿命上的缺陷，现有的解耦电路的改进技术控制策略复杂，相较于DC-DC-AC方案，相关研究数量较少。

1.3.1 优化线路

通过增加旁路电路规模，张晓锋等[46]借助三端口脉动功率解耦思想，从电路中的解耦电容入手，极大地减小了解耦电容值，降低了开关损耗，减轻了前级推挽逆变电路的电流压力，但是新加入的解耦电路又增加额外的功率转换损耗。Trubitsyn等[47]提出了一种基于全桥逆变器和半波式ACAC变频器的微型逆变器，结合了变压器原边串联谐振电路和脉冲频率调制（pulse frequency modulation, PFM）技术。Krishnaswami等[48]在此拓扑结构的基础上，改用全桥式结构的AC-AC变频器作为后级，同时使用移相调制改善了原拓扑结构中电流谐波频谱宽、滤波困难的问题。

1.3.2 优化开关器件

为减少开关器件的使用，Nayanasiri等[49]提出了原边为全桥逆变器和串联谐振电路、副边为半桥式AC-AC变频电路的微型逆变器。Aganza-Torres等[50]提出了一种基于半波式变频器的DC-AC-AC多级拓扑结构微型逆变器，该电路前级使用推挽式逆变器，后级改进为半波式AC-AC变频器。这比全桥型减少了4个开关管，但变压器副边的匝数增加了1倍，且需加入中心抽头[51]。对额定功率为230 W的微型逆变器的损耗分析和计算表明，其最高功率转换效率可以达到96.1%。

1.3.3 优化控制方法

Krein等[52]采用多载波的脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）技术改善了AC-AC变频器输出电压的波形。随后，Aganza-Torres等[53]对多载波PWM技术做了进一步分析与研究，认为通过此类技术对控制方法进行优化之后，使用DCAC-AC多级拓扑结构的微型逆变器适用于光伏发电系统。

2 微型逆变器在其他领域的应用

2.1 能源电力领域

在能源电力领域，近些年，许多光伏逆变器厂商都开始发力储能变流器业务，原因就是储能变流器[54]和光伏逆变器在原理上基本相同、技术同源。对厂商而言，储能变流器的客户群体还与光伏逆变器的客户群体高度重叠，目前主流的储能变流器厂商大部分主业均为光伏逆变器。

在新能源发电行业中，除了光伏发电，其他发电系统如风力发电[55]等也常利用微型逆变器将电能高效安全地并入电网，为的是获得准确匹配电网电压、频率和相位的正弦波交流电。在电力传输系统中，有一种用于稳定电网的逆变器称作同步逆变器[56]，当电网负载突发剧烈变化时，能够更快地响应需求对电网进行调节，让传统发电机有时间调整输出功率，维持电网上电力稳定。

此外，在一些重要电器上使用的不间断电源[57]（uninterruptible power supply, UPS），其核心也是微型逆变器模块，在市电断开瞬间就使用电池电力供应交流电，从而达到供电不间断的效果。

2.2 电机控制领域

微型逆变器还广泛地被用在各种电机速度控制器中，用来生产频率可变、电压可变的交流电，进而调整交流电机的速度和扭矩。因此，微型逆变器在高速轨道交通系统[58]、新能源电动汽车[59]等领域中均有使用。在制冷设备领域中，微型逆变器被用来驱动变频压缩机[60]，通过变频压缩机的变速运行解决了传统压缩机只能开启和关闭的问题，由此提高了变频制冷设备的循环效率、降低了电力的消耗。市场现有的变频空调、变频冰箱均基于此项技术。

2.3 其他领域

在消费设备中，微型逆变器被用来进行直流电-交流电转换以及交流电频率转换，例如车载逆变器电源[61-62]、便携电力设备[63]等。在军警设备中，泰瑟枪等电击武器[64]就是借助微型逆变器的电力转换功能产生高压交流电。在加热设备中，还可以利用微型逆变器的频率转换功能，将普通直流电或交流电转换为高频交流电[65]，用于感应加热。

3 结语

微型逆变器安装成本更低、安全性更高且系统转换效率更高，其正在逐步占据传统集中式、组串式逆变器的市场，但其在单机功率转换效率和控制方法方面仍有较大的进步空间。本文将微型逆变器的拓扑结构分为单级拓扑结构、DC-DC-AC多级拓扑结构和DC-AC-AC多级拓扑结构3类，其中单级式拓扑结构发展较早，目前研究趋于成熟，虽然有着较高的转换效率，但受限于结构紧凑，难以有更进一步的改进；DC-AC-AC多级拓扑结构目前成本较高，不是主流研究方向，相关研究较少；而DC-DC-AC多级拓扑结构有着控制简单、结构清晰易改进的优点，是目前研究的热门方向之一，也将会是未来微型逆变器的发展方向。得益于碳化硅、氮化镓等新一代材料更高的功率转换效率、更高的工作温度和工作电压，使用其替代传统功率器件并对微型逆变器拓扑结构进行相应优化，可获得更高的功率转换效率且可以简化器件散热设计。新型宽带隙半导体的研发和商业化进程将对未来微型逆变器拓扑结构的发展产生进一步影响。