當由多個太陽能電池板供電的系統連接到單個逆變器時，可以實現的效率水平與陣列中效率最低的面板一樣好。這些傳統設備被稱為串式逆變器，其額定功率選擇非常有限。實際上，如果想要通過添加更多模塊來升級，則房主被限制為原始面板的額定功率。相反，微型逆變器沒有這樣的限制。

基于可再生能源的家庭能源系統，如太陽能和風能，在消費者中越來越受歡迎，并將獲得政府機構越來越多的支持。

在本文中，將討論功率逆變器將在太陽能背景下進行討論，特別是因為它涉及最新的低功率微逆變器架構，這些架構在將光伏（PV）面板的DC輸出轉換為AC時最有意義。住宅用信號。

微型逆變器安裝在每個單獨的PV面板上，通常可以處理300 W。微型逆變器為那些想要從小規模起步但具有最大功率點跟蹤（MPPT）的完整DC/AC轉換的用戶提供可擴展性的好處。許多人希望將多余的電力重新投入電網，這將加快投資回報（ROI）時間，最終可以避免電網依賴。在我們的屋頂上實現這種無處不在的架構的技術越來越近了。

微型逆變器可以最大限度地提高從每個面板收集的功率，并且不受特定太陽能電池板性能不佳的影響。串逆變器將被限制為串內最低效太陽能電池板產生的實際功率。如果單個面板有灰塵，有缺陷，對齊方式不同，或者太陽能電池板等不同型號，它會拖拽整個燈串。與串聯逆變器配置相比，微型逆變器的個性化太陽能電池板收獲量將提供5％至25％的電力輸出增長。

固態逆變器已被證明是將光伏系統投入電網的支持技術。因此，每個逆變器瓦特的成本降低對于使光伏發電的電力更具吸引力非常重要（圖1）。

圖1：微型逆變器及其組件和外設支持功能（由Microchip提供）。

讓我們跟蹤從直流電源到交流電源輸出的光伏信號，并檢查系統的關鍵組件塊。

逆變器的一般結構

基本上有三種類型的PV逆變器架構（圖2）。圖2a顯示了一個典型的集中式逆變器，它可以自行處理所有任務，例如MPPT（通常由微控制器），電網電流控制和電壓放大（如果需要），因為PV電源的低電壓不能輕易地轉換為電網電壓水平有效。

圖2b是雙級逆變器。如果需要，DC/DC執行MPPT和電壓放大。根據DC/AC逆變器的控制，DC/DC轉換器的輸出是純DC電壓（DC/DC轉換器僅處理額定功率）或DC/DC轉換器的輸出電流被調制以遵循整流的正弦波（DC/DC轉換器將處理標稱功率的兩倍的峰值功率）。前一種解決方案中的DC/AC逆變器通過脈沖寬度調制（PWM）或“bang-bang”操作來控制電網電流。在后者中，DC/AC逆變器以線路頻率切換，將整流電流“展開”為全波正弦，并且DC/DC轉換器負責電流控制。如果額定功率低，則后一解決方案可以達到高效率。另一方面，如果額定功率很高，建議在PWM模式下運行并網逆變器，在我們的情況下通常不會出現問題。

圖2c是多串逆變器的解決方案。每個DC/DC轉換器的唯一任務是MPPT和電壓放大。 DC/DC轉換器連接到公共DC/AC逆變器的DC鏈路，其負責電網電流控制。這是有益的，因為實現了對每個PV模塊/串的更好控制。

圖2：三種類型的光伏逆變器。 （a）單個功率處理級，處理MPPT，電壓放大和電網電流控制。 （b）雙功率處理逆變器，其中DC/DC轉換器負責MPPT，DC/AC逆變器控制電網電流。兩級都可以包括電壓放大。 （c）雙級逆變器，其中每個PV模塊或串連接到專用DC/DC轉換器，該轉換器連接到公共DC/AC逆變器。 （由IEEE工業應用交易1提供）

DC/DC升壓轉換器

我們將首先討論DC/DC升壓轉換器（或某些情況下的降壓/升壓），如圖1所示.DC/DC轉換升高或降低輸入的PV電壓，調節其輸出以獲得最高效率（MPPT）到DC/AC逆變器級。包含分立設計元件的原理圖如圖3所示，采用Maxim的MAX1605，但如果設計人員愿意，甚至可以使用功率模塊。

圖3：三種拓撲中的這些高壓DC/DC轉換器用于從PV器件的低輸入電壓產生高輸出電壓（由Maxim Semiconductor提供）。

德州儀器/美國國家半導體SM72442是這一前端級的集成解決方案。 SM72442是一款可編程MPPT控制器，能夠控制四開關降壓/升壓轉換器的四個脈沖寬度調制（PWM）柵極驅動信號。

DC/AC逆變器

下一階段是實際的逆變器本身，由具有多個PWM輸出的DSP或微控制器驅動，以驅動功率IGBT或MOSFET。根據PV板和公用電網之間的電氣隔離，逆變器可以是隔離的或非隔離的。這種電流隔離通常通過變壓器實現，該變壓器對并網光伏系統的DC/AC效率具有重大影響。

大多數單相H橋逆變器使用單極性PWM，以改善逆變器的注入電流質量，這是通過將輸出電壓調制為具有兩倍開關頻率的三個電平來完成的。此外，這種類型的調制可降低輸出濾波器的壓力，并降低逆變器的損耗（圖4）。

圖4：采用單極性PWM的H橋拓撲，應用于負載的有源矢量（由TamásKerekes論文提供）。

在效率方面，可以使用無變壓器拓撲結構改進光伏逆變器系統，但需要處理與漏電流相關的新問題。必須注意可能損壞太陽能電池板并造成安全問題的漏電流現象。在使用這種拓撲和調制的無變壓器光伏系統中（圖4），高頻共模電壓將導致非常高的漏電接地電流，使其對于無變壓器光伏應用而言不安全，因此無法使用。最好在基于變壓器的逆變器設計中使用該技術。

另一項獲得專利的逆變器拓撲結構再次成為H橋混合動力。 SMA Solar將其稱為H5拓撲結構。如圖5所示，它由標準H橋拓撲結構組成，在DC側增加了第五個開關（So）。使用此電路配置，根據輸入電壓，已報告最高轉換效率高達98％。 H橋通過非對稱單極調制工作。非對稱H橋的高壓側應由50 Hz（歐洲）或60 Hz（美國）半波驅動，具體取決于主電源的極性，而相反的低壓側則采用PWM調制以形成電源正弦形狀。這里將進行一些重濾波，如圖5所示，電感器作為交流輸出濾波器的一部分，包括EMI抑制電容器，以提供可在電網上接受或在家中使用的平滑AC。

圖5：SMA Solar使用的專利H-5橋接技術（由飛思卡爾半導體公司提供）。

還有許多其他更復雜的拓撲結構，它們是多個升壓或降壓 - 升壓單級逆變器的組合。2

微控制器或DSP

微控制器或DSP可以像德州儀器這樣的設備TMS320F2812，飛思卡爾的56F8036或Microchip的dsPIC DSPIC33FJ16GS504。圖6顯示了橋接器的微控制器PWM控制以及板載模數轉換器（ADC），用于監控系統的關鍵參數。

圖6：包括微控制器的并網太陽能微型逆變器框圖（由Microchip Semiconductor提供）。

住宅規模的并網系統是當今最常見的系統。它們通常提供3至10 kW的輸出功率，通常不配備備用電池。輸出交流電源必須在相位，頻率和電壓方面與電網同步，并且總諧波失真較小。串聯逆變器控制一個或多個單獨的PV模塊串，是用于住宅應用的最常見類型的逆變器。飛思卡爾56F83xx系列數字信號控制器（DSC）為MPPT和DC/AC轉換提供單芯片控制解決方案。有關DC/DC升壓器，DC/AC逆變器和DSC/微控制器的典型內部工作原理的更詳細視圖，請參見圖7。

圖7：住宅太陽能逆變器細節（由飛思卡爾半導體公司提供）。

隔離

現在讓我們看看逆變器設計中的隔離。無論逆變器是基于變壓器還是無變壓器，都需要某種隔離（圖8）。

圖8：需要隔離（紅線）來保護敏感的微控制器和相關的低壓支持設備和高壓電源電路（由Avago提供）。

系統控制器在與其控制的元件不同的電壓域中運行。電源工作在幾十伏特，DC鏈路工作在幾百伏特，但系統控制器的邏輯電路通常工作在3到5伏左右。為了最大限度地減少在故障情況下損壞控制器的可能性，那里必須是電源和邏輯電壓域之間的某種隔離。這種隔離不僅用于保護控制器邏輯免受高DC鏈路電壓的影響，還有助于保護用戶，用戶通常通過控制器的接口與系統交互。

Avago Technologies的光耦合器提供增強的電流隔離，可提高安全性和系統可靠性。 Avago的HCPL-316J等器件是柵極驅動光耦合器，具有集成保護功能，可隔離H橋中的MOSFET或IGBT。