深入了解逆变器里面的电感

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。

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。

《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。

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。

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。

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。

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。

FR：泓达光伏

文章作者：刘继茂