CN104919600A - 具有集成后板的逆变器的太阳能模块 - Google Patents

Abstract

具有集成后板的逆变器装置的太阳能模块装置，包括具有前侧和后侧的基底构件。装置具有多个太阳能电池，其包括以第一串联配置连接的第一分组太阳能电池和以第二串联配置连接的第二分组太阳能电池，以及由覆盖基底构件的前侧形成的标记线配置。标记线包括耦接到以第一串联配置的第一组太阳能电池的第一互连，以及耦接到以第二串联配置的第二组太阳能电池的第二互连。装置具有耦接到基底构件后侧的逆变器装置。逆变器装置包括耦接到第一互连的第一组连接和耦接到第二互连的第二组连接。

Description

具有集成后板的逆变器的太阳能模块

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年11月30日提出的美国专利申请号No.13/691,597的优先权，其全部公开通过以其整体引用并入本文。

技术领域

本公开一般涉及集成电路。更特别地，本公开提出针对太阳能模块配置的逆变器装置的方法以及系统。仅通过示例的方式，可将逆变器装置耦接到包括多个太阳能电池的太阳能模块的后板。当然，可存在其它变化，修改和替代。

背景技术

由于光电效应的发现，太阳能逆变器已被设计为将通过太阳能电池或面板产生的直流(DC)电转换为交流(AC)。被称作逆变器的电路最初指从DC源恒定地逆变输入信号的过程已经执行从瓦到兆瓦的DC到AC的转换。自从21世纪初期光伏(PV)太阳能面板技术的复苏，因其限定太阳能设施的成本，性能和可靠性，逆变器已经成为聚焦点。与其它部件的联合作为系统平衡(BOS)部件，逆变器在限定设施寿命中扮演重要角色。

如示例，美国能源部已经启动对于用于住宅，商业和实用规模光伏(PV)太阳能设施的太阳能系统主动达到1美元/瓦(DC)安装成本目的的SunShot^TM。随着面板成本的快速下降，逆变器，BOS成本和安装成本已经是PV工业的焦点。另外徘徊在80％附近的较低系统效率(太阳能面板到负载的网格/端点)，因其有助于显著资本支出以及运行和维护(O&M)成本，已经作为关注的领域。已经寻找可降低成本，改进系统效率和性能的有效电力转换拓扑结构，从而达到PV太阳能电力的电力杠杆成本(LCOE)的电网平价的目的。

发明内容

本公开一般涉及集成电路。更特别地，本公开提出针对太阳能模块配置的逆变器装置的方法以及系统。仅通过示例的方式，可将逆变器装置耦接到包括多个太阳能电池的太阳能模块的后板。当然，可存在其它变化，修改和替代。

在具体的实施例中，本发明提出具有集成后板的逆变器装置的太阳能模块装置。装置包括包含前侧和后侧的基底构件。装置具有多个太阳能电池，其包括以第一串联配置连接的第一分组太阳能电池和以第二串联配置连接的第二分组太阳能电池。装置具有由覆盖基底构件的前侧所形成的标记线结构。标记线包括耦接到以第一串联配置的第一组太阳能电池的第一互连和耦接到以第二串联配置的第二组太阳能电池的第二互连。装置具有耦接到基底构件的后侧的逆变器装置。逆变器装置包括耦接到第一互连的第一组连接和耦接到第二组连接的第二组连接。

在其它实施例中，装置具有变化。例如，基底由玻璃，环氧树脂，或其它电绝缘材料或它们的组合制成。标记线包括铝材料或其它导电材料厚度。使用为树脂材料或其它连接材料的胶材料将标记线附接到材料厚度。材料厚度还可以层压，环氧或熔融到基底上。在示例中，多个太阳能电池中的每组包括以直接耦接到逆变器装置的从电路的串联配置被一起配置的DC电源。逆变器装置从关键电池分组产生辅助电力，从面板必要地产生电力以便在并网模式或单机模式下运行。基底构件是由被配置为从每个太阳能电池分组布线的标记线组成的后板，该每个太阳能电池分组以基于从一个或多个不同太阳能电池类型的太阳能电池特性所优化的串联结构连接。后板包括从多个电池分组导出的多个DC输入。将每个电池分组通过插件机构直接地耦接到从电路，因而后板基本上不含旁路二极管和接线盒。装置进一步包括耦接到逆变器装置的输出。输出是网格兼容正弦波AC或与参考电压信号同步的AC信号。逆变器装置包括被耦接到菊花链结构的多个其它逆变器装置的输出。将输出连接到网格源以便将电力泵浦到网格电路内。在其它示例中，将多个逆变器装置以菊花链配置，使得逆变器装置中的一个产生参考电压信号，其它逆变器装置被同步到在缺少网格源的本地电路中运行的参考信号。在示例中，本地电路是微网格或离网。在示例中，每个太阳能电池分组包括从逆变器电路，使得输出电力从以串联方式配置并且直接耦接到逆变器装置的从逆变器电路的太阳能电池分组优化。每个从逆变器电路提供在从太阳能电池的每个分组导出的DC源与来自网格源或通过另一装置产生的参考AC信号的组合AC电源之间的电流隔离。当连接到网格源(反孤岛)时，每个从逆变器电路中止公共信号并且避免实施DC到AC逆变从而提高安全性。逆变器装置包括耦接到从逆变器装置的主控制器模块；其中基底的后侧基本上不含接线盒或电力聚集器。第一分组太阳能电池包括第一DC从电路，并且第二分组太阳能电池包括第二DC从电路。可在以下贯穿本说明书并且更具体地找到本装置的进一步细节。

通过本发明的方式获得许多好处。例如，本发明使用在耦接到太阳能模块的后板上的集成太阳能逆变器装置。本太阳能模块比具有通过接线盒连接的外部逆变器的传统太阳能模块有效并且成本更低。另外，逆变器装置包括从电路和主电路。取决于实施例，可获得一个或多个好处。将在以下贯穿本说明书并且特别更加详细描述这些和其它好处。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的包括多个电池和相关逆变器的太阳能模块的简化顶视图；

图2是根据本公开的实施例的耦接到从逆变器的模块后板的简化顶视图；

图3是根据本公开的实施例的主芯片模块的简化图。

图4是根据本公开的实施例的从芯片模块的简化图。

图5是根据本公开的实施例的更加详细的图4的从电路，其包括滤波器，移相器，RERC和升压电路(包括移相器和RERC)。

图6，7，8是根据本公开的实施例的逆变器电路的示例。

图9是根据本公开的实施例的由从电路导出的波形。

图10是根据本公开的实施例的耦接到多个从电路的主电路的总图。

图11示出根据本公开的实施例的来自每个从电路的每个电压和电流的波形，以及每个电压和电流波形的聚集。

图12示出根据本公开的实施例的太阳能电池元件，其包括玻璃构件，多个电池，后板和逆变器。

图13和14示出根据本公开的实施例的在具有和不具有RERC电路的整流桥二极管两端的切换电压的波形。

图15示出图13和14的电路的对比时间绘出的电压/电流。

图16示出根据本公开的实施例的波形控制电路的波形。

具体实施方式

本公开一般涉及集成电路。更特别地，本公开提出针对太阳能模块配置的逆变器装置的方法以及系统。仅通过示例的方式，可将逆变器装置耦接到包括多个太阳能电池的太阳能模块的后板。当然，存在其它变化，修改和替代。

由于PV面板定额输出功率增加，在最大功率点(MPP)运行的概念已经是发电最大化的初步要求。另外可与其MPP点相差+/-3-5％的“组串”PV面板，通常导致几乎所有面板在次优的电力点处运行。进一步有助于更高损耗的遮蔽和污染的影响在组串拓扑结构中放大。结果，集中逆变和组串逆变拓扑结构具有基本上更低的系统效率。这些具有价格和安全性优点的拓扑结构在长期运行中经证明是昂贵的。对于大部分提供资金的PV项目，因为牺牲系统性能的这些优点，所以优选更高经济成本的集中逆变拓扑结构。集中逆变拓扑结构的显著缺点是它们无能力通过面板级别监测和报告来协助O&M。用于集中逆变拓扑结构的组串设计，布局优化，BOS部件成本和EPC成本显著更高，其通常在计算该拓扑结构效用时被忽略。

分布式转换器或微逆变器另一方面实施面板级别的逆变任务，使系统能够在所有天气条件下传递最优效率。因为每个微逆变器的输出是在期望电压的网格同步AC电力，微逆变器通常是菊花链以便从每个面板聚集AC电流。微逆变器消除不匹配损耗，次优电力点损耗并且显著降低遮蔽和污染损耗的影响。另外它们带来面板监测和报告以便协助O&M的好处。如下示出相对其它拓扑结构的微逆变器性能。

在示例中，分布式电力转换器面临某些挑战。微逆变器解决方案在成本和可靠性方面已经受到挑战。已经将若干第一代微逆变器解决方案视为显著昂贵并且不可靠的。可靠性关注严重地阻碍在商业或实用规模部分中微逆变器的采用，其中现场故障可导致用于维修和替换的显著成本。然而大部分微逆变器公司已经生产HALT/ALT和现场试验数据从而证明其可靠性。在未来几年内因为更多的现场性能数据变得可用，预期将持续关注采用具有显著成本影响的“新技术”。当比较逆变器到逆变器价格时，通常将在系统级别的成本效益的微逆变器称为更高成本替代。

由于在PV太阳能市场首先在住宅和小型商业(<15KW)PV设施中微逆变器获利突出，主要面板制造商和微逆变器公司共同追求发展集成AC面板的概念，这显著地减少成本同时显著降低安装成本并且保持BOM成本。该方法在故障情况下仍允许清除在面板和微逆变器之间的责任差别。然而集成解决方案的概念遭受如不存在显著成本，性能和可靠性好处的主要缺点。在工业中一直存在关于“AC面板”的准确组成以及它如何达到1美元/瓦的成本以便在本年代末前使PV太阳能LCOE标准化的重要讨论。另外这些方法将解决方案保持于系统级别，稍微超出可显著降低成本同时提高可靠性的客户ASIC的范围。

在示例中，AC面板期望地集中于成本和可靠性的核心问题，同时努力改进“AC面板”的性能。另外基础电力转换架构需要为客户ASIC提供滞后过程以便显著地降低成本并且更大地提高可靠性。在下一章节中描述的集成Eagle-Black板的逆变器AC面板是下一代AC面板技术，其可显著地改变PV太阳能设施的解决方案景象。

在示例中，可将本逆变器装置集成到太阳能面板的后板中，以克服AC面板技术所面临的挑战。通过对于在产品设计中同时处理的具有成本，可靠性和性能的AC面板解决方案的整体方法定义本面板。如先前所观察的，逆变技术的成本降低仅可能通过定制ASIC实现，该定制ASIC对于电力电子电路一般是困难的。具有昂贵封装技术的多芯片模块通常是在较低成本发展定制电力电路的选择途径。然而本面板技术依赖创新的主/从架构，以便在通过PV面板的电池分组所产生的DC电力上实施“纳米”逆变。由于通过电池处理的电力较低，本AC面板包括以高于98％的效率达到超过20倍-40倍升压的突破DC-DC升压电路。另外电路使用创新的“能量恢复电路”来消除输出桥中昂贵的碳化硅(SiC)二极管的使用，并且采用廉价的肖特基二极管替代它们。该创新电路同样采用以小部分成本传递优越性能的后沿IC制造过程，使整个解决方案能够被封装在ASIC中。

本面板技术解决方案具有“主”控制和通信ASIC，其与多达24个“从”逆变器ASIC串联运行。主/从AC面板拓扑结构是高度可扩展的解决方案，其可在60个电池，72个电池或90个电池的PV面板中实施，以便传递120V/240V/277V AC面板。这些AC面板可以独立地并网以实现从300W到1MW的所有方式的安装。因为每个AC面板伴随接地AC输出完全地集成，系统组件和安装过程变得完全简单并且极其安全。

主/从拓扑结构由控制从ASIC的一个单独主ASIC组成，该从ASIC连接到AC面板中的电池分组。这通过实质上是电池连接的网格阵列的“后板”达到，该网格阵列优化电池连接的布置来将电池分组。每个电池分组期望在从ASIC的输入处传递至少4-7V DC。在以下章节中解释“后板”的细节。

AC面板主/从拓扑结构减少对昂贵磁性部件以及能量存储能力的需要。AC面板的主ASIC监测必要电压和频率参数的网格，并且因此启动和禁止从逆变器。可将面板中的电池分离成定制设计的“后板”中的10或12个阵列(取决于多晶硅/单晶硅/薄膜电池)，该阵列优化从电池的每个分组到其对应从逆变器输入的布线长度。因为通过输入到从逆变器的必要电压确定分组中电池的数量，各种输出功率的AC面板是可能的。因为每个主ASIC可以控制多达12个从逆变器，可设计出范围为240W-1.4W的AC面板。然后可通过机械约束而不是电子约束确定面板尺寸的限制。另外，可在大约具有277V输出的640W系统达到最优成本节约，该系统可实现480V的3相系统。

图1是根据本公开的实施例的包括多个电池和相关逆变器的太阳能模块的简化顶视图。如上图中所示出的，本板逆变器架构将逆变过程中断成采用MPPT的DC升压和在面板中从每个电池分组产生120V/240V/277V整流DC波形，并且在通过主ASIC控制的AC展开电路中聚集它们的电流。通过定制设计的“后板”所达到的电池布置最优化，使从逆变器能够具有沿着ARC滤波电感器集成的极低轮廓平面的DC升压变压器。在以下章节中描述的DC升压电路，使用在>200Khz切换频率达到“零电压”切换的专有切换技术达到20倍-40倍升压。从逆变器同样感测面板分组的电压和电流，以便运行优化来自每个电池分组的电力的电池分组级别MPPT。这使逆变器供电的AC面板能够比集成有微逆变器的AC面板传递显著更高的性能。定制ASIC中所有关键电路的封装显著地改进AC面板的可靠性，远超过传统25年。该更高的可靠性同样伴有增强的性能和基本上较低的成本。

图2是根据本公开实施例的耦接到从逆变器的模块后板的简化顶视图。AC面板的“后板”是定制设计的网格布置，其将面板上的电池分划分驱动从逆变器的电力电路的分组。“后板”(BP)在电力电路的集成部分中，因为其在优化电池布局中扮演重要角色。

BP通过选择每个从逆变器的电池分组允许主/从逆变器集成的小幅改进。每个电池分组到从逆变器的物理接近度使得能够降低标记线的成本，同时在面板组装期间具有在其上可直接放置电池的“节点”。BP电路是钩住保持主/从ASIC的主要逆变器PCB的附加板层。通过针对AC面板所使用的电池的特定确定BP形状和布局。因为多数单个电池并联组合，对于“薄膜”面板，节点数量可远小于其中多数单个电池串联连接的“多晶硅面板”的节点数量。结果，通过电池材料定义每个单个电池分支上的节点，并且需要基于所期望的电池输出功率和电压优化该节点。BP的目的是确保最优电池分组，使得来自它们的输入DC电压至少是4V。BP同样需要在达到从逆变器输入之前，通过最小化标记线长度确保标记线的最小损耗。

在具体的实施例中，本发明提供具有集成后板的逆变器装置的太阳能模块装置。装置包括包含前侧和后侧的基底构件。装置具有多个太阳能电池，其包括以第一串联配置连接的第一分组太阳能电池和以第二串联配置连接的第二分组太阳能电池。装置具有由覆盖基底构件的前侧所形成的标记线配置。标记线包括耦接到以第一串联配置的第一组太阳能电池的第一互连，和耦接到以第二串联配置的第二组太阳能电池的第二互连。装置具有耦接到基底构件后侧的逆变器装置。逆变器装置包括耦接到第一互连的第一组连接和耦接到第二互连的第二组连接。

图3是根据本公开的实施例的主芯片模块的简化图。如示出的，主芯片模块是主ASIC。主ASIC控制AC面板的中央控制部分。主ASIC具有以下特征。

1.控制多达24个逆变器和集成AC展开装置。

2.控制并网(Grid-Tie)和具有内部同步的离网(Off-grid)应用两者的算法。

3.检查IEEE 1547/UL 1741网格条件，并且在异常网格/负载或低电力条件下启动/禁止面板的电力产生。

4.控制每个逆变器的电流输出，并且在异常网格/负载条件的事件中启动/关闭从逆变器。

5.关于在逆变器的网格侧/负载侧上输出(put out)什么的绝对和超前控制。

6.监测单个逆变器电力产生以及输出处AC面板的累计电力产生。

7.产生用于从控制ASIC的比例参考整流网格电压以便产生120/240/277V RMS整流网格波形。

8.使输出展开同步到引入网格电压或负载侧换相，以便产生具有最小THD的干净正弦AC波形。

9.有线/无线物理层到任意中央数据收集系统的通信。

在示例中，主ASIC测量来自每个从逆变器的电压和电流信号输出，并且产生它们每个的比例MPPT设定点。主ASIC的架构框图如所示出的。

从ASIC是针对面板上的电池给定分组的逆变器的电力产生控制ASIC。从电池的串联或并联分组中接收从ASIC的DC输入。以下是从逆变器ASIC的特征。

1.监测电池分组电压和电流。

2.MPPT控制电池分组电流/电压以确保其在MPP点运行。

3.通过主ASIC校对用于监测和报告的电流/电压/温度数据。

4.通过AC面板结构如所期望的产生在120V/240V/277V处的输出展开装置桥的整流正弦波形。

5.通过主ASIC维持网格互连或负载侧换相的高质量，低谐波失真(THD)输出整流正弦波形。

6.高速精密混合信号控制环路用于追踪来自主ASIC的输入参考信号。

7.在并网运行的平均电流模式控制器和离网应用的电压模式峰值电流模式控制中运行。

8.具有精密控制状态机械和数据校对引擎的RISC处理器。

图4是根据本公开的实施例的从芯片模块的简化图。如所示出的，示出控制ASIC的框图。

图5是根据本公开的实施例的更加详细的图4的从电路，其包括滤波器，移相器，RERC，和升压电路(包括移相器和RERC)。如所示出的，升压器级是从逆变器ASIC的关键部分，其以高效率实现20倍-40倍升压。另外，将该升压转换器电路设计为使用低电压MOSFET，其实现下沿过程技术中电力电路的封装。通过使用取代碳化硅(SiC)二极管的廉价的超快硅(Ultrafast Silicon)PN结二极管进一步达到成本降低，并且创新的“整流器能量恢复电路”使损耗最小化，传递大于98％的效率。在以下详细描述如上示出的由3级组成的升压电路。

移相全桥转换器

PSFB(移相全桥)转换器采用常数死区滞后相位支脚平均电流模式控制系统运行。PSFB和RERC一起使用变压器的磁化电感，伴随变压器的初次和二次寄生效应，以ZVS运行对于任意占空比有效的形式来软切换初次侧切换部件(M3，M4，M5，M6)。涉及PSFB的常规设计使用变压器的泄漏电感或初次路径中的附加电感器，以在初次侧切换部件上实现ZVS。该电路的主要优点是穿越整流变压器输出的二极管D4的二极管D2不能与电感器自由滑行(freewheel)。因此在整流二极管上达到完全不连续导电模式(DCM)。

运行的DCM模式对于变压器在将磁化电感暴露到初级侧部件的预定义间隔处切断以便在死区时间期间在M3，M4和M5，M6之间零电压切换是非常重要的。初级侧部件的零电压切换是非常值得期望的，因为可以在很高的频率切换这些部件，从而减少电路中所需的变压器，电感器和电容器的尺寸。采用铁氧体材料有效性的限制，在>250Khz到大约2MHz可采用集成磁性切换有效地建立从逆变器。

电路的独特特征是使用无损的初级磁化电感来使电路的主要部分实际上自由滑行从而相当地减少转换器的切换损耗到相当不重要的级别，并且减少初级侧切换部件的共模传导损耗并且在开关上使用最小寄生效应来实现ZVS换流。由于针对ZVS换流使用的更高电感值，变压器中的能量储存变得非常少，并且取消泄漏电感的需求从而紧固地耦接具有高耦合系数的变压器的初级和次级线圈。初级侧切换电路对于变压器初级磁化电感的0-10％范围中的初级泄漏电感以ZVS模式令人满意地运行，其指示泄漏电感在初级侧切换部件的ZVS转变的换流中具有不重要的角色。

整流器能量恢复电路

整流器能量恢复电路(RERC)是在ZVS区域中运行的PSFB电路的重要部分。如果在整流器二极管(D1到D4)上若有任何反向恢复电荷则RERC移除该任何反向恢复电荷，因而启动常规廉价硅PN结二极管的使用以避免昂贵的高压碳化硅肖特基二极管。

RERC恢复二极管D1到D4的结能量到电容器C1中，并且然后将能量传递到输出，因此使二极管D1到D4表现为类似如肖特基二极管的多数载体装置。

RERC同样使电感器自由滑行，将D1到D4一直保持在不考虑输出功率级别的DCM中。将二极管D1到D4保持在DCM中对于转换器是非常重要的，因为这取消切换损耗到不重要的值并且因此转换器可在减少电路的电感性和电容性部件的显著更高频率下运行，从而相当地减少电路的形状因数和尺寸。

ARC滤波器级

有源纹波消除(ARC)滤波器消除在输入太阳能面板电压上发现的DC电流纹波。M1和M2开关以双向DC-DC转换器的原理运行。ARC滤波器在PSFB的低导电状态期间将电容器C2充电到规定的电压，并且将在PSFB转换器的高导电状态期间对电容器放电。

ARC滤波器使用常数死区时间平均电流模式控制在完全零电压切换运行中运行开关。ARC滤波器旨在采用高可靠性金属薄膜或低电容值的陶瓷电容器替代铝电解电容器。

在电容器额定Vin和Vmax之间的电压尺度上完全地利用电容器C2。ARC滤波器滤出通过最小化太阳能面板所看到的电流纹波的PSFB所引入的120Hz/100Hz线频率纹波。

AC展开电路

AC展开电路对于该实施是非常重要的。每个纳米逆变器升压电路的聚集电力在AC展开输入V+/V-上可用。由于升压电路的输出是整流的正弦波，则展开电路将进入的整流正弦波转换为线频率AC正弦波。原则上，当升压电路不产生任何电力时，展开电路必须防止来自线的任意整流正弦波进入升压电路输出。虽然展开电路被硬切换，但由于通常是线频率(50/60Hz)的低切换频率，忽略切换损耗。

在以下章节中，说明实施AC展开装置的各种方案，其同样引用图6，7和8。

MOSFET展开装置

在该方案中，Mosfet M1，M2，M3，M4形成展开换流电路。当线路(Line)和中性线(Neutral)之间的电压为正时，M1，M3，M5开启，并且当线路和中性线之间的电压为负时，M2，M4，M5开启。包括L1，C1，C2，C3的线滤波器滤出来自展开电路的切换瞬态效应。二极管D1形成反向阻断二极管，其当系统不产生任何电力时不允许体二极管整流进入升压电路输出。为了减少二极管D1的损耗，使用开关M5，当存在系统的电力产生时开关M5开启。该展开方案允许最高到250V Rms电压的低传导损耗实现。该实施的展开装置死区时间可小于200ns，使得展开装置输出小于2％THD的非常干净的正弦波。因为可以控制输出开关，可在线循环的任意点处关闭系统。

IGBT展开装置

在该方案中，IGBT的Q1，Q2，Q3，Q4形成展开换流电路。当线路和中性线之间的电压为正时，Q1，Q3，Q5开启，并且当线路和中性线之间的电压为负时，Q2，Q4，Q5开启。包括L2，C4，C5，C6的线滤波器将来自展开电路的切换瞬态效应滤出。二极管D1形成反向阻断二极管，其当系统不产生任何电力时不允许体二极管整流以进入升压电路输出。为了减少二极管D1的损耗，使用开关Q5，当存在系统的电力产生时开关Q5开启。该展开方案允许在400V直到600V Rms之间电压的低传导损耗实现。该实现的展开装置死区时间可小于500ns，使得展开装置输出小于3％THD的非常干净的正弦波。由于器件Q1，Q2，Q3，Q4将具有额定10us周期的短路，系统将被加固。因为可以控制输出开关，所以可在线循环的任意点处关闭系统。

SCR展开装置

在该方案中，SCR的T1，T2，T3，T4形成展开换流电路。当线路和中性线之间的电压为正时，T1，T3开启。当线路和中性线之间的电压为负时，T2，T4开启。包括L3，C7，C8，C9的线滤波器将来自展开电路的切换瞬态效应滤出。因为SCR是单向传导装置，系统不需要阻断二极管。该展开方案允许在100V直到600V Rms之间电压的低传导损耗实现。该实现的展开死区时间可小于100us，使其输出稍小于5％THD的正弦波。由于装置T1，T2，T3和T4将具有额定10us周期的短路，所以系统将被加固。因为可以控制输出开关开启且不关闭，所以仅在线循环的零交叉处可关闭系统。

AC面板的关键特征保持从由主的每个从逆变器产生的电力集成。因为小电流的电力聚集相当困难，AC面板的集成和控制方面依然重要。AC面板的主/从架构具有代替采用简单控制算法实现电力聚集的2个架构特征。

1.来自从逆变器的均匀电压处的参考同步整流DC输出波形

2.来自从的匹配由主所产生的参考信号的同步电流波形

例如为了在AC展开装置的输出处产生120V AC，主将设定在169VRMS处的从逆变器整流DC电压。

图9是根据本公开的实施例的由从电路导出的波形。用于120V AC输出的来自每个从逆变器的输出电压波形如所示出的。

图10是根据本公开的实施例的耦接到多个从电路的主电路的总图。除电压设定点外，参考同步信号确保来自每个从逆变器的相同电压波形，该参考同步信号可以是并网应用的2.5V p-p的低压步降网格电压和离网应用的2.5V p-p整流正弦波所产生的主。从逆变器进一步产生取决于通过对应于它们的MPP点的主所提供的电流设定点的匹配电流波形。这些参考点同样帮助主在小于10us内启动/禁止从逆变器，以遵守各种安全标准的反孤岛要求。结合参考信号，电压设定点和电流点防呆关闭可在具有相当简单的控制回路的从逆变器中实现。与此同时，采用来自主的这些参考信号完美地完成稳定状态运行时间性能，使得用于从的控制回路是绝对基本的。重要的是要注意通过主确定每个从逆变器的MPP点，该主具有比从中的AMS控制器更高的计算能力。主在每个AC循环开始采样来自每个从装置电流和电压值，以便确定它们的对应设定点。下图示出从逆变器输出的互连电路，该输出被聚集以便馈入AC展开装置(此处示出MOSFET展开装置)。因为由每个从所产生的相同波形，并联互连是可能的。由每个从所产生的电流波形同样是整流的正弦波，同步到由主所提供的参考信号。各种幅度级别电流波形的聚集在输出THD上不具有任何方位，因为它们是相位对齐并且频率相关。具有有源MOSFET电路的AC展开装置的输入确保对聚集的整流DC电流和电压波形滤波从而确保平滑的正弦波。因此AC展开电路可以是简单换流电路，其在必要线频率处将整流DC电压和电流波形转换为期望AC波形。将输出线滤波器设计为直接从面板提供120V/240V/277V单相或240V分相AC输出。这简化可以是任何具有15A额定电流的常规接地AC连接器的输出AC电缆设计。下图示出相对于参考电压波形所绘出的来自从逆变器的独立电流波形。图中的最后一个波形示出所聚集的AC面板电压和电流波形。

图11示出根据本公开的实施例的每个从电路的每个电压和电流波形，以及每个电压和电流波形的聚集。注意：图例：‘A’波形是网格电压。‘B’是100倍的电流波形。

图12示出根据本发明的实施例的AC模块或面板，包括玻璃/框架，太阳能电池，后板和逆变器。如示出的，AC面板克服限制太阳能PV设施中AC面板广泛采用的挑战。在成本，可靠性和性能三个显著方面的每一个方面中，AC面板解决方案进展远好于当前解决方案。在该示例中消除接线盒二极管立刻节省2-3％的电力损耗。在MPPT处实施的每个电池分组显著降低污染损耗，使得太阳能面板甚至可以在部分遮蔽的条件下运行，在相同条件下提供比常规微逆变器/集中逆变器更高的MPP性能。在示例中电池分组性能的优化或改进将整体MPP性能提高5-10％。从逆变器采用PSFB和RERC电路传递大于98％的效率。在该示例中从面板传递AC的整体效率高于97％。

在示例中，ZVS切换甚至采用约40倍升压为240V/277V系统传递高效率。整体系统性能取决于条件超过具有集中逆变器或常规微逆变器的DC优化器的组合约5-10％。在现场条件下，可将商业规模中的整体系统效率从91-93％提高到大约96％(受限于AC电缆设计)。在示例中，消除电缆成本降低示例中约20％的AC面板成本。在示例中，消除逆变器的附件消除5％的成本。消除面板中的接线盒节省约15美元。在示例中，消除DC电缆连接器节省约7美元。在示例中，消除与面板和微逆变器相关的组件成本。在示例中，后面板和集成逆变器PCB的组合节省面板成本。在示例中定制ASIC电力电路的封装削减其离散解决方案60％的电力电路成本。在示例中控制和通信ASIC的封装将主控制器的成本降低到当前离散解决方案的大约50％。在示例中基于逆变器的主/从架构降低磁性成本50％。在示例中基于逆变器的主/从架构采用降低80％成本的高惰性陶瓷电容器替代线频率电力的金属薄膜存储。在示例中解决方案接近针对逆变器和BOS所安装的0.12美元/瓦DC。在示例中消除DC接地移除对降低5％的BOS成本的DC GFDI的需求。

在示例中，消除光隔离器和离散门驱动电路来改进MTBF。集成平面磁性部件改进平均故障间隔时间(MTBF)，现场可重复性和简化的生产过程。从ASIC电力电路的封装提高可靠性。从ASIC中控制和感测电路的封装消除趋向于劣化的离散部件。采用自动等级陶瓷电容器消除高容量金属薄膜电容器大幅度改进产品的可靠性和功率密度。

在示例中，本发明提出组装具有集成后板的逆变器装置的太阳能模块装置的方法。方法包括提供包含前侧和后侧的基底构件。基底构件在其上具有标记线配置(例如铝，铜材料)。方法包括耦接多个太阳能电池，该多个太阳能电池包括以第一串联配置连接的第一分组太阳能电池和以第二串联配置连接的第二分组太阳能电池，使得标记线配置由覆盖基底构件前侧而形成。标记线包括耦接到以第一串联配置的第一组太阳能电池的第一互连，以及耦接到以第二串联配置的第二组太阳能电池的第二互连。方法包括将逆变器装置耦接到基底构件的后侧。逆变器装置包括耦接到第一互连的第一组连接和耦接到第二组连接的第二组连接。第一分组太阳能电池包括第一DC从电路并且第二分组太阳能电池包括第二DC从电路。在示例中，太阳能模块包括夹层结构，其在单独组件中包括后板，太阳能电池，标记线和集成逆变器。在示例中基底是由玻璃，环氧树脂或其它电绝缘材料制成。

现在参考图13，14，和15，如所示出的是在变压器的次级处的全桥整流器电路的波形，其将1666数字正弦波样本转换为绝对(仅正脉冲)脉冲。结果，在每个正弦波周期期间二极管切换1666次。每当整流桥的二极管切换时，损失由PSFB在变压器两端所传递的部分能量。共同二极管功率损耗是由于在切换时在二极管上存在的反向恢复电荷。通过Vm*Irrm*trr/2给出反向恢复能量损耗。参考实际损耗的图像。由于切换时间高，该损耗非常显著。整流器能量恢复电路实际上加入附加无源元件以便减缓这些损耗。在反向恢复时期期间对缓冲电路中的附加电容器C3充电，并且在二极管实际导通的时间期间循环进入输出。在1666次切换循环时期，可通过RERC电路节省3-4％的功率损耗。通过图13和14提供具有在具有和不具有RERC电路的整流桥二极管两端的切换电压的波形。

参考图16，当前波形控制器电路包括由耦接到变压器的4个功率MOSFET组成的移相全桥电路。替代地切换MOSFET(上支脚开启，下支脚关闭，反之亦然)并且将独立支脚的波形移相。打开/关闭MOSFET时的相对相移在变压器的输入处产生数字正弦波。一系列该数字正弦波在变压器的次级侧输出处在电感器两端产生120Hz/100Hz(对于60Hz/50Hz线频率)的半波电压波形。在输出两端的电流波形同样是对应幅度的半波整流正弦波。对于60Hz线频率，数字正弦波(波形5)的大约1666个样本产生2个半波整流正弦波。采用变化相位将全桥支脚的MOSFET切换移相，导致降低导通损耗的零电压切换。在ZVS模式中运行的相同PSFB同样允许更高频率切换，因此降低切换损耗。

在示例中，本发明提供逆变器装置。装置包括被配置为产生整流DC波形的从逆变器电路，以及耦接到从逆变器电路并且配置为耦接到来自多个太阳能电池的DC源和配置为将AC电流纹波滤回到DC源并且将DC电压升压到中间的12-15电压范围的有源纹波消除升压电路。装置同样具有耦接到从逆变器电路并且包括移相零电压切换全桥电路以及整流器能量恢复电路的波形控制器电路。将移相零电压切换全桥电路配置为使DC源形成半波整流的120V到240V波形。将整流器能量恢复电路配置为在切换运行期间恢复能量以导致波形的形成。装置同样包括被配置为产生PWM波形并且将整流波形与网格电压同步并且被配置为管理耦接到多个太阳能电池以记录电池分组电压和电池分组电流的多个感测电路的模拟混合信号或数字控制器模块。

在具体实施例中，逆变器装置具有变化。逆变器装置进一步包括被配置为多个模拟混合信号或数字控制器模块的主控制模块。将主控制模块配置为针对每个模拟混合信号控制模块产生参考信号，并且关闭/打开来自每个逆变器装置到电力线网格的整流波形。主控制器模块包括耦接到电力线网格的检测器装置以测量在任意给定时间的网格电压和网格频率。将主控制模块配置为使用来自网格电压和/或网格频率的信息打开/关闭每个逆变器装置。将主控制器模块通过附接到太阳能模块的后板而配置在太阳能模块上。后板基本上不含接线盒或电力聚集器。逆变器装置进一步包括多个太阳能电池分组，每个太阳能电池分组具有到DC从电路的DC输入。将主控制器配置为控制展开电路，其包括具有SCR，MOSFET，或IGBT电路中的一个的H桥电路。采用闭合回路控制算法控制展开电路，以便通过聚集由多个从逆变器电路所产生的多个电流波形将电力传递到电力线网格。

在替代示例中，将主控制器和模拟混合信号或数字控制器配置为通信以将多个参考信号与来自每个太阳能电池分组的至少一个电压/电流级别交换。主控制器产生与在电力线网格频率处的确定期望极限内的电力线网格电压成比例的参考电压波形。主控制器产生即时关闭信号，当模拟混合信号或数字控制器接收到该即时关闭信号时，在即时关闭信号产生起始的500毫秒内关闭从逆变器电路的多个切换电路的电力。主控制器在存在电力线网格不含任何电力线网格电压波形的替代时，产生调整到输出电压波形上的附加正弦波以便使电力线网格电压波形失真，或主控制器在不存在启动从逆变器电路的关闭的电力线网格时，产生调整到输出电压波形上的附加正弦波以便使输出电压波形失真。

在示例中，通过模拟混合信号或数字控制器控制的从逆变器电路，连续监测耦接到从逆变器电路的来自电池分组的功率输出，以便通过改变功率级别以及追踪电池分组的最大功率点(MPPT)使功率输出最大化。通过模拟混合信号或数字控制器控制的从逆变器电路使功率输出最大化到由电池分组提供的辐射变化所造成的变化功率级别。通过模拟混合信号或数字控制器控制的从逆变器电路包括锁相环(PLL)电路，以便同步由主电路采样的参考电压从而形成输出电流和电压波形。从电路包括被配置为减少产生半波整流波形的二极管桥中的能量损耗的功率损耗减少电路，通过CMOS电路或SiC电路提供能量损耗电路。

在示例中，后板包括在多个预定义点处馈入后板的印刷电路板中的来自太阳能电池分组的多个DC输入，以便采用多个从逆变器电路和辅助电源耦接多个预定义点。辅助电源提供电力来运行多个从逆变器电路，主控制器模块，展开电路，通信控制器和其它相关电路。辅助电源适用于在与电池分组设计相关联的多个电压级别处被触发。波形控制器电路包括移相全桥零电压开关(ZVS)电路和二极管损耗恢复电路。

在示例中，本发明同样包括实施本文中所描述的电路以及系统的功能所涉及的方法。在示例中，本发明提供用于运行逆变器装置的方法。方法包括使用从逆变器电路产生整流DC波形，将AC电流纹波滤回到DC源，使整流DC波形升压到中间的12-15电压范围，将整流DC波形塑形为半波整流的120V到240V波形，在切换运行期间使用整流器能量恢复电路来恢复能量，使用模拟混合信号模块或数字控制器模块产生PWM波形，同步所整流的DC波形到网格电压，并且管理耦接到多个太阳能电池的多个感测电路以便记录电池分组电压和电池分组电流。在示例中，本方法进一步包括产生每个模拟混合信号控制模块的参考信号以便关闭/打开从每个逆变器装置到电力线网格的所整流的DC波形。应当理解以上所陈述的描述是本公开的示例，并且在所要求公开的范围内可进行对于示例的修改和变化。因此，所附权利要求的范围应当符合最广义的解释，从而涵盖包括全部等效范围的所有这些修改和相似布置。

Claims (20)

1.一种太阳能模块装置，其具有集成后板的逆变器装置，所述太阳能模块装置包括：

基底构件，其包括前侧和后侧；

多个太阳能电池，所述多个太阳能电池包括以第一串联配置连接的第一分组太阳能电池和以第二串联配置连接的第二分组太阳能电池；

标记线配置，其由覆盖所述基底构件的前侧形成，所述标记线包括耦接到以所述第一串联配置的第一组太阳能电池的第一互连和耦接到以所述第二串联配置的第二组太阳能电池的第二互连；

逆变器装置，其耦接到所述基底构件的后侧，所述逆变器装置包括耦接到所述第一互连的第一组连接和耦接到第二组连接的第二组连接。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述基底由玻璃，环氧树脂或其它电绝缘材料制成。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述标记线包括铝材料厚度，使用胶材料将所述标记线附接到所述材料厚度，所述胶材料包括树脂材料。

4.如权利要求1所述的装置，其中每组所述多个太阳能电池包括以直接耦接到所述逆变器装置的从电路的串联配置被一起配置的DC电源。

5.如权利要求4所述的装置，其中逆变器装置从关键电池分组产生辅助电力，从面板必要地产生电力以便在并网模式或孤立模式中运行。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述基底构件是由被配置为从每个所述太阳能电池分组布线的所述标记线组成的后板，所述太阳能电池分组以基于从一个或多个不同太阳能电池类型的太阳能电池特性所优化的串联配置连接。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述后板包括从多个电池分组导出的多个DC输入，将每个所述电池分组通过插件机构直接耦接到从电路，其中所述后板基本上不含旁路二极管和接线盒。

8.如权利要求1所述的装置，进一步包括耦接到所述逆变器装置的输出，所述输出是网格兼容正弦波AC或同步到参考电压信号的AC信号。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述逆变器装置包括输出，所述输出耦接到以菊花链配置的多个其它逆变器装置，所述输出连接到网格源以将电力泵入网格电路。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述多个逆变器装置以菊花链配置使得所述逆变器装置中的一个产生参考电压信号，被同步到参考信号的其它逆变器装置在缺少网格源的本地电路中运行，所述本地电路是微网格或离网。

11.如权利要求1所述的装置，其中太阳能电池的每个分组包括从逆变器电路，使得输出功率从以串联方式配置并且直接耦接到所述逆变器装置的从逆变器电路的所述太阳能电池分组优化。

12.如权利要求11所述的装置，其中每个所述从逆变器电路提供在从太阳能电池的每个分组导出的DC源与来自网格源或由另一装置产生的参考AC信号的组合AC电源之间的电流隔离。

13.如权利要求12所述的装置，其中当连接到网格源(反孤岛)时，每个从逆变器电路中止公共信号并且避免实施DC到AC逆变从而增强安全性。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述逆变器装置包括耦接到从逆变器装置的主控制器模块；其中所述基底的后侧基本上不含接线盒或电力聚集器。

15.如权利要求1所述的装置，其中所述第一分组太阳能电池包括第一DC从电路，并且所述第二分组太阳能电池包括第二DC从电路。

16.一种太阳能模块装置，其具有集成后板的逆变器装置，所述太阳能模块装置包括：

基底构件，其包括前侧和后侧；

多个太阳能电池，所述多个太阳能电池包括以第一串联配置连接的第一分组太阳能电池和以第二串联配置连接的第二分组太阳能电池；

标记线配置，其由覆盖所述基底构件的前侧形成，所述标记线包括耦接到以所述第一串联配置的第一组太阳能电池的第一互连，和耦接到以所述第二串联配置的第二组太阳能电池的第二互连；

逆变器装置，其耦接到所述基底构件的后侧，所述逆变器装置包括耦接到所述第一互连的第一组连接和耦接到第二组连接的第二组连接，所述第一分组太阳能电池包括第一DC从电路并且所述第二分组太阳能电池包括第二DC从电路。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述基底由玻璃，环氧树脂或其它电绝缘材料制成。

18.如权利要求16所述的装置，其中所述标记线包括铝材料厚度，使用胶材料将所述标记线附接到所述材料厚度，所述胶材料包括树脂材料。

19.如权利要求16所述的装置，其中每组所述多个太阳能电池包括以直接耦接到所述逆变器装置的从电路的串联配置一起配置的DC电源。

20.一种方法，用于组装具有集成后板的逆变器装置的太阳能模块装置，所述方法包括：

提供包括前侧和后侧的基底构件，所述基底构件在其上具有标记线配置；

耦接多个太阳能电池，所述多个太阳能电池包括以第一串联配置连接的第一分组太阳能电池和以第二串联配置连接的第二分组太阳能电池，使得所述标记线配置由覆盖所述基底构件的前侧形成，所述标记线包括耦接到以所述第一串联配置的第一组太阳能电池的第一互连，和耦接到以所述第二串联配置的第二组太阳能电池的第二互连；

耦接逆变器装置到所述基底构件的后侧，所述逆变器装置包括耦接到所述第一互连的第一组连接和耦接到第二组连接的第二组连接，所述第一分组太阳能电池包括第一DC从电路并且所述第二分组太阳能电池包括第二DC从电路；

因此所述基底由玻璃，环氧树脂或其它电绝缘材料制成。