经过长期化石能源困境等多个重大关键课题的刺激下，太阳能在以转换效率和成本为核心的技术和商业两方面的关键难点上取得了巨大突破。太阳能是可再生能源和可持续电力设施改造的关键形式、实现碳中和传播的重要途径，这不仅是..共识，也是美国、欧盟等经济发达国家目前所处的实际情况。同时，中国也在出台相应的政策指导方针，大幅增加光伏发电装置的数量。为光伏发电系统选择合适的磁性元件对于太阳能的进一步普及具有重要的意义。

Part1

光伏发电应用与功率转换

以设施等级为划分依据，太阳能应用通常分为三类：住宅，x100W~xKW；商用，xKW ~ xMW；公共事业，xMW ~ xGW。由于太阳能应用广泛，且具有可扩展性，太阳能发电的相应功率转换有几种不同的方案可供选择：

在转换效率方面，有用于适应太阳辐射并根据电池温度调节输出的连续控制单元；考虑到相对发电成本和用电容量，有用于离网型发电的分布式微电网和用于栅极接电的集中式电站，尤其是当光伏板数量增加时，系统的孤岛风险和并网设备的低电压穿越（LVRT）会使得光伏发电的配置方案更复杂多变。

滤波电感、升压电感、电源变压器、电抗器等磁性元件除了应用于相应的功率转换之外，在其他方面也广泛应用；尤其是在典型的分布式光伏解决方案中，磁性元件成本更高（按百分比计），因此为光伏发电系统选择合适的磁性元件对于太阳能的进一步普及具有重要的意义。

Part2

系统中光伏发电及功率转换的原理

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半导体基础

由于光电转换效率的关键要求，单晶硅异质结（HIT）太阳能电池（N衬底）是目前的重点发展类型（效率在25%左右）。目前占据安装规模的主要份额的类型仍然是铝背场（BSF）和PerC型如P 型基板电池（效率在 19% 和 21.5% 之间）。但随着设备和主要材料（硅材料和低温银浆）的不断研发和生产能力的提高，HIT成本将逐步降低，未来新装的太阳能电池将以HIT型为主。

在本征半导体中，P型或N型半导体通过掺杂获得足够的载流子浓度。由于其窄带隙，外界干扰（如照明电磁辐射）可以激发内部原子产生更多的电子-空穴对。当不同类型的半导体形成PN结时，n型端在内部扩散电场的作用下会积聚更多的电子；而p型端则相反，..终在两端形成驱动电压并成为电源，即电池。这种内部光电效应称为光伏效应。

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太阳能系统的主要考虑因素

太阳能并网发电需要满足特定的技术要求，如IEEE1547（美国）、ENEL 2010 Ed.2.1（意大利）、EN50438或中国GB/T 19939-2005、GB/Z 19964-2005。为了配置合适的并网逆变器，光伏系统需要具有多级功率转换、效率控制和完整的监控相关通信系统，并具备孤岛检测和发电量预测等必要功能（一般适用于中大型规模化光伏发电部署）。在就地消耗所发电能这一方面上，分布式离网光伏发电系统具有较低的系统配置难度和较高的灵活性，通常以微型逆变器为主要功率级，或配备储能系统以实现有效的电力调度。

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光伏发电的主要功率转换类型

光伏发电作为电流源，其功率输出与工作电压之间存在波动关系，即在实际功率转换中，首先需要实现..功率输出的控制。根据 MPPT 或 Power Optimizer的算法，波动的光伏发电通常先转换为直流电，即直流母线（或 DC-link）。这个过程一般是boost转换。其次，根据不同的功率等级，升压转换还可以通过交错升压或全桥控制实现更好的效率和更低的成本。同时，可根据隔离要求补充软开关或其他隔离电源转换，实现不同电压的直流要求；或者根据应用的需要可以通过全桥逆变的形式直接供给交流负载。

在组串式逆变器或中央逆变器中，除了MPPT或功率优化后的稳定直流高压外，还有许多复杂的逆变器拓扑形式，如单相或三相串联逆变器可分为两级或多级形式。由于组串式逆变器在技术和成本上都具有配置灵活性，它们逐渐成为近年来的主要发展趋势。

光伏发电中的功率转换

（蓝色）微型逆变器、（绿色）串式逆变器、（红色）集中式逆变器

Part3

磁性元件在光伏中的应用

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MPPT（或功率优化器）

光伏电池的发展经历了多次技术迭代，以210片（210mmx210mm）为代表的..6.0时代，在25℃、1000𝑊/𝑚2辐照强度时，单片功率输出可达10~12W。通常，光伏的规格书会提供开路电压（𝑉𝑜𝑐）、短路电流（𝐼𝑠𝑐）、..功率点电压（V𝑚𝑝）以及..功率点电流（𝐼𝑚𝑝）。当辐照强度降低时，𝐼𝑠𝑐显著降低，𝑉𝑜𝑐略有降低。随着温度升高，𝑉𝑜𝑐降低。相应地，V𝑚𝑝和𝐼𝑚𝑝同时发生变化。光伏的功率极限由𝐼𝑠𝑐和𝑉𝑜𝑐相乘得到，..输出功率与功率极限的比值称为光伏组件的填充系数，该值主要由内部等效电阻和PN结材料决定，可用于衡量电池性能：

（半型光伏电池）I-V曲线

微型逆变器光伏应用通常插入本地储能电池，以实现功率的..波形均衡，因此直流母线的电压可以根据所连接的电池系列进行调整，例如12V、24V、48V或更高的电池组电压。在这种应用中，功率优化器（或MPPT）在较低的电压下工作，并且可以在较高的开关频率下转换，因此需要较低的电感，例如4.7UH、6.8UH、10uH、22uH等。此类应用通常在较低功率水平下使用扁平铜线大电流电感器或一体成型电感器。

逆变器中的电感应用

2光伏发电中的其他应用

如上所述，为了隔离光伏逆变器应用（微功率逆变器）、反激式或全桥ZVS软开关拓扑，相应地需要设计功率变压器和LLC谐振电感；为了降低功率损耗，磁芯选择的材料通常会采用MnZn铁氧体（气隙），在某些情况下也可以使用低损耗磁芯材料（如FeSiAl、低损耗FeSi磁芯、非晶等）。

在分布式光伏应用中，电压已达到数百伏或xKV，为了驱动相应的开关场效应管，必须在驱动级采用隔离：采用介质隔离的隔离器优先，也可以通过采用隔离变压器驱动器，既能满足隔离要求，又能满足系统安全要求。隔离变压器的类型需要根据 FET 的功率和栅漏电压电平要求进行设计。对应应用的栅极驱动变压器基本上是独立的，需要单独设计。

在逆变器阶段，为了降低开关噪声，隔离光伏发电端与电网之间的噪声通路，通常会配置电感量大、体积大的滤波电感，也称为ACL，对应光伏终端输入的DCL电感。为了实现非常大的电感值（低滤波频率），通常使用硅钢或非晶或多气隙铁氧体，因为横截面积也很大，因此整体体积很大。