设计未来的太阳能系统

November 16, 2025

Fanny Hu

利用双向微型逆变器和变频器优化功率

发布于2025-11-17

双向逆变器，尤其是双向微型逆变器，有望为太阳能应用带来变革性的潜力。它们可以融合先进的氮化镓（GaN）技术和精确的电流检测技术，既能实现高效率电力转换，又能与储能系统无缝协同。随着这项技术潜力的提升，其关键设计考虑因素包括智能电网兼容性和可持续性，以及人工智能（AI）集成的前景，以优化双向微型逆变器在推动太阳能技术发展中的关键作用。

双向微型逆变器正重塑太阳能应用领域的发展格局，引领太阳能技术的未来。双向微型逆变器将重新定义效率和可持续性，它与太阳能电池板、蓄电池储能系统和电网协同工作，提供不间断的可靠电力，同时尽可能提高太阳能装置的投资回报。本白皮书将详细介绍双向微型逆变器如何运用先进的氮化镓技术和精密电流检测，在太阳能应用中实现高效电力转换、储能优化和可持续性。

了解双向微型逆变器

双向微型逆变器与单向微型逆变器相比具有显著优势，而单向微型逆变器又优于组串逆变器。集中式组串逆变器会同时将整组光伏板的直流输出进行逆变，其交流输出功率受限于最弱的光伏板（例如在多块完全照度的光伏板中，有一块被部分遮光，就会限制整体的输出）。相比之下，每个微型逆变器只对应一块光伏板。如果一块光伏板被遮挡，其对应的微型逆变器可以在不影响其他逆变器/光伏板组合可用功率的情况下，尽可能多地提取功率。

无论组串逆变器还是单向微型逆变器，都可以从太阳能电池板向住宅和工业设施等交流负载供电。此外，它们还可以利用多余的电力为本地储能系统的电池充电，或通过“净计量”计费机制将电力输送至电网，该机制可让电表倒转，让太阳能运行者可通过供应电力来抵免电费。

双向微型逆变器在具备上述电力传输功能的同时，还能提供额外的功能：它们可以在需要时使用电网电力为电池充电。在许多系统中，电力都是由光伏系统或蓄电池在特定时间向逆变器供电。然而，在混合系统中，两者可以同时供电，从而优化能源利用并提升备用可靠性。

高效功率转换

高效供电的一个关键因素是尽可能减少半导体开关元器件的损耗。虽然提高开关频率通常会增加损耗并降低效率，但在相同开关频率下，氮化镓器件的开关损耗低于硅（Si）FET。这正是太阳能系统设计者越来越多地采用氮化镓器件的原因之一。与硅器件相比，氮化镓器件出色的开关速度可将损耗降低50%以上^[1]。

业界采用的氮化镓器件通常工作在600V或更高电压下，但新型中压（80V至200V）氮化镓器件正涌现于太阳能系统等电压较低的应用领域。这些中压器件可在不需要高压的系统中提供高功率密度和效率。典型的太阳能系统，无论是否采用双向微型逆变器，均包含降压和升压级（图1），用于将太阳能电池板的波动直流电压转换为恒定的中压直流电平，然后再连接到逆变器级。Texas Instruments（TI）的LMG2100R044 GaN半桥功率级等模块非常适合用于降压和升压级。LMG2100R044是一款35A、90V（连续，100V脉冲）器件，集成了栅极驱动器和增强型GaN场效应晶体管（FET）。该器件具有零反向恢复时间、最小输入和输出电容等优势。LMG2100R044采用5.5mm × 4.5mm × 0.89mm无铅封装，便于安装在印刷电路板（PCB）上，有利于实现高功率密度。

图1：集成中压GaN半桥器件的降压和升压DC/DC级。（图源：Texas Instruments）

双向微型逆变器参考设计

为了帮助探索灵活高效电源转换系统设计中的关键问题，TI 推出了1.6kW基于GaN的双向微型逆变器参考设计TIDA-010933^[2]。该四路输入设计采用高频开关技术，可使用小型无源磁性元器件。为实现尽可能高的灵活性，任意通道均可作为光伏输入或48V电池连接使用。

双向微型逆变器中采用的磁性元器件在保持紧凑尺寸的同时，面临着热管理、限制电流尖峰、尽可能减少高频功率损耗等挑战。TIDA-010933采用固定频率的电容器-电感器-电感器-电容器（CLLLC）拓扑结构，结合同步整流技术，尽可能减小磁性元器件尺寸、提高效率，并在整个负载范围内实现零电压开关（ZVS）^[3]。

在选择电感器时，工程师必须考虑到，在低电感时，即使在空载情况下，磁化电流仍可能相当高，从而导致磁性线圈发热。例如，500kHz频率下2µH电感器的阻抗（Z）为6.28Ω：

因此，在电压为75V时，电流等于12A。为降低该电流和由此产生的损耗，TIDA-010933采用高电感变压器来显著降低空载电流。

该变压器的磁化电感为6µH，漏感为900nH，连接了75VDC母线与400VDC链路（图2）。在变压器的低侧，该设计采用全桥配置，虽然需要半桥配置两倍的开关数量，但可以安全地处理更高的低侧电流。与之相对，高侧采用半桥配置便足以满足较低的电流需求。将变压器与高低侧转换级相结合，可提高热性能，从而实现更高的效率和更小的磁性元件尺寸。例如，紧凑型变压器的高度不到35mm，有助于提高参考设计的功率密度。

图2：连接75VDC母线与400VDC链路的变压器电路。（图源：Texas Instruments）

最大功率点跟踪

TIDA-010933参考设计还提供了研究最大功率点跟踪（MPPT）的机会，该技术可在温度和光照度等条件不断变化的情况下，从太阳能电池板中提取可能的最大功率。MPPT利用太阳能电池板的电流-电压（I-V）特性（图3中红色曲线所示）来寻找最大功率点，即蓝色功率-电压（P-V）曲线上对应I_MP和V_MP处。

图3：太阳能电池板的I-V（红色）和 P-V（蓝色）特性曲线。（图源：Texas Instruments）

最大电压点出现在电流为零时，最大电流点出现在电池板输出短路时。在这些极端情况下，功率为零。MPPT算法会持续搜索I-V曲线，以找到电流和电压的乘积（即功率）达到最大值的点。图中该点位于红色曲线的拐点附近，此时电流为I_MP，电压为V_MP，功率为P_MAX。

效率优化

参考设计的每个部分都针对效率进行了优化。例如，DC/DC转换器在400W功率、50V输入时的效率达到99.3%，而CLLLC转换器在1,596W时的效率达到97.5%。TI 通过基于参考设计组装电路板（图 4）并对其进行全面测试和验证，证实了这些数据。

图4：为测试和验证TIDA-010933双向微型逆变器参考设计而组装的电路板。（图源：Texas Instruments）

测试和验证结果表明，参考设计的各项特性协同作用可实现高效率（图 5）。在50V输入电压下，大约在640W时达到96.5%的峰值效率。在1.6kW时，满载效率为95.5%。

图5：TIDA-010933参考设计效率与输出功率的关系曲线。（图源：Texas Instruments）

精确电流检测

高效的双向微型逆变器设计需要精确的电流检测，这可以通过使用精密霍尔效应传感器或大功率电流检测电阻器来实现。为实现性能、效率和功率密度目标，TIDA-010933参考设计同时采用了这两种方案，包括TI TMCS1123精密霍尔效应电流传感器和Bourns CRF高功率电流检测电阻器。

TMCS1123具备高精度特性，可在严苛环境下实现可靠的电流测量。这款电隔离器件可在25°C时测量高达80A_RMS的电流，或在125°C时测量高达44A_RMS的电流，提供 1,100VDC强化工作电压和5,000V_RMS耐受隔离电压。其采用精密信号调理漂移补偿电路，在温度范围和使用寿命期间内可将总误差限制在1.75%以内，无需系统级校准。

Bourns CRF高功率电流检测电阻器的电阻值低至0.001Ω，容差为±1%和±5%，兼具精度与高功率处理能力。这些符合AEC-Q200标准的器件工作温度范围为-55°C至+170°C，并具有低热电动势特性：0805和1206封装尺寸下<3µV/°C，2512封装尺寸下<40µV/°C。

优化电感和滤波

电感在电源系统中起着至关重要的作用，电感器是关键的储能元器件，有助于在各种电源转换拓扑结构中过滤噪声。例如，Bourns SRR0735HA和SRR0745HA屏蔽式功率电感器采用铁氧体磁芯和屏蔽层，能够尽可能减少磁场辐射。其工作温度范围为-55°C至+150°C，提供两种封装尺寸：7.3mm × 7.3mm × 3.5mm和7.3mm × 7.3mm × 4.5mm。图6所示为适合SRR0735HA和SRR0745HA电感器的典型家用太阳能发电和储能系统安装^[4]。

图6：住宅太阳能发电和储能装置。（图源：Texas Instruments）

图6所示的系统可以使用单个较大的逆变器与多个DC/DC转换器相结合，以解决与选择拓扑结构相关的问题。另一种做法是采用多个微型逆变器（每个都集成逆变和转换级）来实现类似的储能方案。

理想情况下，每个逆变和转换级都应在成本、效率、可靠性和功率密度方面进行优化。但设计人员通常需要权衡利弊，在AC/DC逆变器和DC/DC降压和升压转换器的各种电路拓扑结构中做出选择。

常见拓扑结构

五种常见拓扑结构都采用交错运行的半桥，以提高DC/DC转换器的功率水平或实现三相逆变器工作：

两级转换器包含两个功率晶体管和一个电感器。这种拓扑结构采用简单的控制方案，但电磁干扰（EMI）较高，而且需要大型电感器。
T型拓扑与两级转换器类似，但增加了两个功率晶体管。这种拓扑结构的EMI性能更好，增加的两个晶体管的额定电压仅为总线电压的一半。这种拓扑结构还允许使用更小的无源元器件。
有源中性点箝位（ANPC）转换器拓扑包括六个功率晶体管，但所有六个晶体管的额定电压均可设定为总线电压的一半。这种拓扑结构的EMI较低，但需要微控制器（MCU）来处理关断排序，以保护晶体管。
中性点箝位（NPC）拓扑包含四个功率晶体管。这种拓扑结构的成本通常低于ANPC，但效率较低。
悬浮电容转换器拓扑采用四个功率晶体管，每个晶体管的额定电压为总线电压的一半。这种拓扑结构包含一个用于连接每对晶体管形成的堆叠半桥开关节点的电容器。悬浮电容拓扑结构具有最高的效率和最低的电磁干扰水平，同时能够使用最小的磁性元器件。

储能系统集成

由于日照强度的不稳定性和自然波动性，储能是太阳能发电系统的关键考量因素。天气是导致波动的主要原因，云层会抑制到达太阳能电池阵列的光照强度。但即使在晴朗天气下，日照强度的日变化和年变化仍会限制可用的发电量。

这样的波动带来了多重挑战：当太阳能不足时，就需要寻找替代电源；当太阳能发电量达到峰值时，依赖需求的价格会下跌，太阳能设备运营商无法通过净计量获得良好的投资回报。最后，如果电网瘫痪，就无法出售多余的电力或购买替代电力。

因此，本地储能对太阳能系统至关重要。本地储能可在太阳能发电不足时提供电力，确保更稳定的能源供应。它还可以储存多余的电力，在需求和价格较高时出售给电网。

图7所示即为这样一个系统，其中的逆变和转换级都连接到高压（400V或800V）直流母线上。具备储能功能的双向功率因数校正（PFC）逆变级将高压直流母线与交流负载连接起来，通常是通过单相连接（用于住宅负载）或三相连接（用于工业负载）。双向逆变级可采用多种拓扑结构。两级拓扑结构、三级NPC和ANPC拓扑结构均可实现双向运行，只需配备适当的控制固件和专为电流流动设计的硬件即可。

图7：具有直流和交流母线的混合逆变器系统。（图源：Texas Instruments）

除了双向PFC逆变级外，该系统还包含双向DC/DC转换级，在单向工作时作为电池充电器。它可为电池补充电量以便日后使用，即可为交流负载供电，亦可在电价有利时将电力回售给电网。反向工作时，电池向直流母线放电。电池可采用铅酸、锂或其他化学体系，电压范围可从单相系统的48VDC到三相系统的400VDC甚至800VDC。双向DC/DC转换器在隔离配置中通常采用CLLLC或双主动桥（DAB）拓扑，而同步升压转换器拓扑可用于非隔离配置。低成本、低电压的单相系统可采用带或不带有源钳位的电流馈入式推挽拓扑结构。

最后，混合储能就绪型逆变器包含具备MPPT功能的DC/DC转换级，用于将太阳能电池板连接至高压直流母线。通常，非隔离配置的MPPT级采用升压转换器拓扑，隔离配置则采用移相全桥、双主动桥或CLLLC拓扑结构。

隔离和电压转换

微型逆变器通常在太阳能电池板和电网之间提供隔离，以确保安装人员和最终用户的安全，并减轻电池板和电网之间的共模电流。这些电流可能源于太阳能电池板的大面积表面接近接地屋顶而产生的巨大寄生电容。此外，隔离技术还能提高涉及高输入和输出电压比的配置的效率。

TIDA-010933参考设计采用多级隔离变压器，包括图2所示的变压器。此外，它还采用了Bourns PAD002-T764113S推挽式隔离变压器，其在7.10mm × 6.55mm × 4.0mm的紧凑型封装中提供3,100V_RMS隔离和400V连续额定电压。在参考设计中，三个PAD002-T764113S变压器（其中一个如图8所示）有助于从5VDC电源引出隔离的12VDC电源。

图8：开发隔离式12V电源的电路。（图源：Texas Instruments）

EMI、效率和热管理的设计考量

在整个双向微型逆变器设计过程中，工程师必须遵循最佳实践，以尽可能减少EMI并提高效率。这些最佳实践可能会带来相互冲突的设计目标，因为效率最大化通常需要更高的开关频率，这就会引发EMI问题。而且，为符合政府法规要求，电磁干扰抑制仍是所有功率转换产品的重要考量。

所幸，现有的多种技术和元器件件都可以同时优化效率和EMI控制。在PCB布局中，可通过缩短电路板走线和元器件引线，避免其充当发射和接收天线，从而有效降低EMI。此外，电感器可抑制高寄生电容产生的共模噪声电流。共模电感器对共模噪声电流呈现出高电感，但对差模电流信号的电感很小^[5]。

完全没有引线的表面贴装元器件有助于在不影响效率的情况下减轻EMI，同时还有助于实现高功率密度——这是另一项关键设计考量。用于EMI抑制和噪声滤波的Bourns SRF4532TA系列共模片式电感器就是此类元器件的一个例子^[6]。这些紧凑型器件采用铁氧体磁芯，可在各种频率下提供高阻抗。电感额定值范围为0.35µH至10µH，阻抗额定值范围为90Ω至2,800W（100kHz），电流额定值范围为900mA至4A。

其他关键考量包括高效热管理。选用适配的散热器和热界面材料有助于功率半导体保持低温。电路配置也有助于优化热管理：如前所述，参考设计的变压器CLLLC拓扑结构可提升热性能。此外，高效热管理策略还可采用内置热关断保护的功率模块，或向主机MCU报告晶体管结温的电源模块，后者可在温度过高时采取措施保护器件。

最后，全面的测试和验证可确保从GaN FET到互连器件等各种系统元器件在各种条件下都能协调运行。

智能电网、可持续性和未来

双向微型逆变器将越来越多地增加支持智能电网的功能，包括能够处理实时数据并做出响应的人工智能功能。这些功能将提升整个电网的电压调节能力，并根据需求动态调整电力输出。收集整个电网的实时数据将有助于在不影响电网稳定性的前提下增加绿色分散式发电设施，从而通过优化能源使用来提高可持续性。

GaN和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体的技术进步将持续推进，使传统电力转换拓扑结构能够在数百千赫兹频率和高压环境下运行。此外，随着前期实施成本降低，差分功率处理（DPP）等降低损耗、提升效率的技术将日益普及^[7]。最后，新一代逆变器有望增强DPP方案中最大功率点跟踪（MPPT）算法的有效性。

结语

双向微型逆变器在分布式发电系统中发挥着关键作用，它将太阳能电池阵列与基于电池的储能系统结合在一起。这种组合使系统能够有效利用资源，并通过支持各种电力传输场景（如电网到电池、太阳能电池板到电池、电池板到电网、电池到负载）灵活地匹配供需。从GaN功率模块到大电流检测电阻器，高性能、高可靠性的元器件对于实现高效率和高功率密度水平，同时实现良好的热管理和EMI控制至关重要。