电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器,但只有一个绕组。电感最大的特点是,电流不能突变,只能慢慢变大或者变小,正是利用这个特性,电感可以把断续的直流方波电流变成连续的正弦波电流。电感器又称扼流器(CHOKE)、电抗器。电感是光伏逆变器里面最关键的元器件之一,主要有储能,升压,滤波,消除EMI等作用,使用灌胶电感,可以降低逆变器内部及电感温度,还能显著提高电感的性能和寿命。

《一》 电感的原理及作用

电感器一般由骨架、绕组、磁心或铁心、屏蔽罩、封装材料、等组成。骨架泛指绕制线圈的支架。将漆包线环绕在骨架上,再将磁心或铜心、铁心等装入骨架的内腔,以提高其电感量。绕组是指具有规定功能的一组线圈,绕组有单层和多层之分。铁心材料主要有硅钢片、坡莫合金,铁氧体,非晶,金属磁粉芯等。一台光伏逆变器中,通常共有4种电感,直流共模电感﹑升压电感﹑滤波电感,交流共模电感。

共模电感主要起EMI滤波的作用,一方面要滤除外界共模电磁对逆变器的干扰,另一方面又要抑制逆变器本身不向外发出电磁干扰,避免影响电网和同一电磁环境下其他设备的正常工作。

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共模电感

光伏组件是直流源,本身不会产生电磁干扰,有些逆变器厂家为了降低成本,取消了逆变器直流EMI共模电感,实际上,由于逆变器功率器件开关速度非常高,会产生较大的共模干扰电流,如果没有直流EMI共模电感,这些干扰电流信号就会传到直流电缆和组件上,这时组件就会像一个天线,产生电磁干扰,影响光伏系统周边的电信号,如有带天线的电视机和收音机等设备就会工作不良。

为了提升发电量,组串式逆变器一般为两级结构,输入电压范围较宽,单相为70-550V,三相为200-1000V。前级为BOOST升压,要配置升压电感,后级为逆变电路,要配置滤波电感,升压电感和滤波电感是功率电感,从工作电流的角度来看,功率电感在其整个工作段内纹波电流相对较大并且工作温度较高,从而功率电感的直流偏置特性要求较高(尤其是高温时),提高功率电感对应铁氧体材料的高温Bs(饱和磁通密度)非常必要;另一方面,从损耗的角度来看,功率电感的损耗可能占到太阳能逆变系统总损耗的20~40%,降低功率电感铁损非常必要。

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《二》如何提高电感的效率

铁损主要由磁性材质的特性所决定。为了减少铁损,必须优化选取高频损耗特性好的材料。磁性材料的损耗优劣关系:铁氧体 < 非晶 < 铁硅铝 < 铁硅 < 纯铁粉芯。在各类磁性材料中,铁硅铝磁粉芯具有分布式气隙、饱和磁感应强度大、宽恒磁导率、高居里温度、在高频下具有极低的损耗,几近为零的磁致伸缩系数,价格适中,使其成为光伏逆变器功率电感器最佳选择。

铁硅铝磁粉芯优势:适当的成本,优于钼坡莫合金/高磁通以及复合合金;较低的损耗,优于铁粉芯;高饱和度,优于间隙铁氧体;接近零的磁致伸缩,优于铁粉芯;无热老化现象,优于铁粉芯;软饱和,优于铁氧体及复合合金。

铁硅铝磁粉芯缺点:和所有的粉末冶金材料一样,铁硅铝也需要粘结剂,和硅钢片相比,存在老化开裂,温度升高时容量会下降,电流噪声较大等缺点,为了克服这些缺点,一般采取电感灌胶工艺等方法。

电感灌胶:分为铝型材组装、电感组装、初测、灌导热硅胶、固化、终测、整体封装线束整理等多道工序,约增加30%以上材料成本和50%的人工成本。

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灌胶后的电感作为一个整体安装在逆变器后面,和把电感安装在逆变器内部相比,共有四大优势:

1、空气的导热系数为0.023W/m·k,铝导热系数为是160 W/m·k,硅胶导热系数约为1.2 W/m·k,采用灌胶工艺的电感,相当于散热面积积扩大了3-4倍,散热速度提高了10多倍,因此可以降低电感温度,减少温度升高时老化开裂容量下降现象发生。

2、由于电感是逆变器第二发热元器件,电感和PCBA板分开安装,热量直接向外散发,不会提升逆变器内部温度。避免逆变器其它元器件如电容,芯片,传感器温度升高而性能受到影响,降低寿命。

3、经过硅胶和铝壳双层密封,可以降低电感的噪声。电感整体固定在逆变器框架上,可以减少逆变器在运输和安装过程中振动,牢靠不易松动。

《三》减少有害的杂散电感

在光伏逆变器中,也有对功率开关器件产生危害的寄生电感,它就是杂散电感,在功率器件和母线电容连接导线中会产生,杂散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,在IGBT关断的过程中,由于电流急剧减小,会在IGBT上产生电压尖峰,有几个方面的风险:一是会使IGBT过电压,在大电流场合,就需使用更大电压等级的IGBT,但电压等级高的器件损耗大成本高;二是电压尖峰还会带来额外的关断损耗,会使系统效率下降和成本增加。

合理设计逆变器连接导线,减小连线电感及其影响,对于提高逆变器的可靠性和运行性能至关重要,逆变器一般采用下列三种方法减少杂散电感:

1、采用叠层母排:

电容正负端子方向和电流方向保持一致、电容和功率器件之间的距离尽可能短、叠层母排正极和负极之间的距离尽可能短。通过正负极层叠平行分布的结构形式降低线路分布电感,从而降低功率元件两端的反向峰值电压,降低功率器件对电压保护吸收电路的要求,提高功率器件运行的可靠性和稳定性,同时提高了电路的集成度,便于维修维护。

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2、采用高频吸收薄膜电容:

吸收电容在电路中起的作用类似于低通滤波器,可以吸收掉尖峰电压。通常用在有绝缘栅双极型晶体管(IGBT),消除由于母排的杂散电感引起的尖峰电压,避免绝缘栅双极型晶体管的损坏。

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3、采用功率模块

功率模块是采用特殊的工艺,把多个元器件集成封装在一起,这样保证了元器件之间最短距离,降低线路分布电感。

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减少杂散电感,中功率组串式逆变器通常采用功率模块的方案,集中式逆变器,通常采用采用叠层母排和吸收薄膜电容的方案。