電感器(Inductor)是能夠把電能轉化為磁能而存儲起來的元件。電感器的結構類似于變壓器,但只有一個繞組。電感最大的特點是,電流不能突變,只能慢慢變大或者變小,正是利用這個特性,電感可以把斷續的直流方波電流變成連續的正弦波電流。電感器又稱扼流器(CHOKE)、電抗器。電感是光伏逆變器里面最關鍵的元器件之一,主要有儲能,升壓,濾波,消除EMI等作用,使用灌膠電感,可以降低逆變器內部及電感溫度,還能顯著提高電感的性能和壽命。

《一》 電感的原理及作用

電感器一般由骨架、繞組、磁心或鐵心、屏蔽罩、封裝材料、等組成。骨架泛指繞制線圈的支架。將漆包線環繞在骨架上,再將磁心或銅心、鐵心等裝入骨架的內腔,以提高其電感量。繞組是指具有規定功能的一組線圈,繞組有單層和多層之分。鐵心材料主要有硅鋼片、坡莫合金,鐵氧體,非晶,金屬磁粉芯等。一臺光伏逆變器中,通常共有4種電感,直流共模電感﹑升壓電感﹑濾波電感,交流共模電感。

共模電感主要起EMI濾波的作用,一方面要濾除外界共模電磁對逆變器的干擾,另一方面又要抑制逆變器本身不向外發出電磁干擾,避免影響電網和同一電磁環境下其他設備的正常工作。

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共模電感

光伏組件是直流源,本身不會產生電磁干擾,有些逆變器廠家為了降低成本,取消了逆變器直流EMI共模電感,實際上,由于逆變器功率器件開關速度非常高,會產生較大的共模干擾電流,如果沒有直流EMI共模電感,這些干擾電流信號就會傳到直流電纜和組件上,這時組件就會像一個天線,產生電磁干擾,影響光伏系統周邊的電信號,如有帶天線的電視機和收音機等設備就會工作不良。

為了提升發電量,組串式逆變器一般為兩級結構,輸入電壓范圍較寬,單相為70-550V,三相為200-1000V。前級為BOOST升壓,要配置升壓電感,后級為逆變電路,要配置濾波電感,升壓電感和濾波電感是功率電感,從工作電流的角度來看,功率電感在其整個工作段內紋波電流相對較大并且工作溫度較高,從而功率電感的直流偏置特性要求較高(尤其是高溫時),提高功率電感對應鐵氧體材料的高溫Bs(飽和磁通密度)非常必要;另一方面,從損耗的角度來看,功率電感的損耗可能占到太陽能逆變系統總損耗的20~40%,降低功率電感鐵損非常必要。

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《二》如何提高電感的效率

鐵損主要由磁性材質的特性所決定。為了減少鐵損,必須優化選取高頻損耗特性好的材料。磁性材料的損耗優劣關系:鐵氧體 < 非晶 < 鐵硅鋁 < 鐵硅 < 純鐵粉芯。在各類磁性材料中,鐵硅鋁磁粉芯具有分布式氣隙、飽和磁感應強度大、寬恒磁導率、高居里溫度、在高頻下具有極低的損耗,幾近為零的磁致伸縮系數,價格適中,使其成為光伏逆變器功率電感器最佳選擇。

鐵硅鋁磁粉芯優勢:適當的成本,優于鉬坡莫合金/高磁通以及復合合金;較低的損耗,優于鐵粉芯;高飽和度,優于間隙鐵氧體;接近零的磁致伸縮,優于鐵粉芯;無熱老化現象,優于鐵粉芯;軟飽和,優于鐵氧體及復合合金。

鐵硅鋁磁粉芯缺點:和所有的粉末冶金材料一樣,鐵硅鋁也需要粘結劑,和硅鋼片相比,存在老化開裂,溫度升高時容量會下降,電流噪聲較大等缺點,為了克服這些缺點,一般采取電感灌膠工藝等方法。

電感灌膠:分為鋁型材組裝、電感組裝、初測、灌導熱硅膠、固化、終測、整體封裝線束整理等多道工序,約增加30%以上材料成本和50%的人工成本。

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灌膠后的電感作為一個整體安裝在逆變器后面,和把電感安裝在逆變器內部相比,共有四大優勢:

1、空氣的導熱系數為0.023W/m·k,鋁導熱系數為是160 W/m·k,硅膠導熱系數約為1.2 W/m·k,采用灌膠工藝的電感,相當于散熱面積積擴大了3-4倍,散熱速度提高了10多倍,因此可以降低電感溫度,減少溫度升高時老化開裂容量下降現象發生。

2、由于電感是逆變器第二發熱元器件,電感和PCBA板分開安裝,熱量直接向外散發,不會提升逆變器內部溫度。避免逆變器其它元器件如電容,芯片,傳感器溫度升高而性能受到影響,降低壽命。

3、經過硅膠和鋁殼雙層密封,可以降低電感的噪聲。電感整體固定在逆變器框架上,可以減少逆變器在運輸和安裝過程中振動,牢靠不易松動。

《三》減少有害的雜散電感

在光伏逆變器中,也有對功率開關器件產生危害的寄生電感,它就是雜散電感,在功率器件和母線電容連接導線中會產生,雜散電感會隨著電流的增加、連接導線尺寸增大、距離增長而增大,在IGBT關斷的過程中,由于電流急劇減小,會在IGBT上產生電壓尖峰,有幾個方面的風險:一是會使IGBT過電壓,在大電流場合,就需使用更大電壓等級的IGBT,但電壓等級高的器件損耗大成本高;二是電壓尖峰還會帶來額外的關斷損耗,會使系統效率下降和成本增加。

合理設計逆變器連接導線,減小連線電感及其影響,對于提高逆變器的可靠性和運行性能至關重要,逆變器一般采用下列三種方法減少雜散電感:

1、采用疊層母排:

電容正負端子方向和電流方向保持一致、電容和功率器件之間的距離盡可能短、疊層母排正極和負極之間的距離盡可能短。通過正負極層疊平行分布的結構形式降低線路分布電感,從而降低功率元件兩端的反向峰值電壓,降低功率器件對電壓保護吸收電路的要求,提高功率器件運行的可靠性和穩定性,同時提高了電路的集成度,便于維修維護。

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2、采用高頻吸收薄膜電容:

吸收電容在電路中起的作用類似于低通濾波器,可以吸收掉尖峰電壓。通常用在有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),消除由于母排的雜散電感引起的尖峰電壓,避免絕緣柵雙極型晶體管的損壞。

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3、采用功率模塊

功率模塊是采用特殊的工藝,把多個元器件集成封裝在一起,這樣保證了元器件之間最短距離,降低線路分布電感。

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減少雜散電感,中功率組串式逆變器通常采用功率模塊的方案,集中式逆變器,通常采用采用疊層母排和吸收薄膜電容的方案。