Ανεξάρτητα από την τεχνολογία που χρησιμοποιείται, η βασική σχεδίαση του μετατροπέα είναι σαφής και παρόμοια. Ο πυρήνας είναι η διαδικασία μετατροπής της τάσης DC (μονάδες ηλιακών κυψελών) σε τάση AC (συνδεδεμένο με το δίκτυο). Στη διαδικασία του μετασχηματισμού, οι θετικοί και αρνητικοί πόλοι του ηλεκτρικού ρεύματος συνεχούς ρεύματος μετατρέπονται συνεχώς για να σχηματίσουν εναλλασσόμενο ρεύμα με αλλαγές κατεύθυνσης. Έτσι, το βασικό εξάρτημα του μετατροπέα είναι ο διακόπτης γέφυρας (συσκευή τροφοδοσίας), όπως φαίνεται στο σχήμα 1 (α). Η μία πλευρά αυτής της γέφυρας διακόπτη είναι συνδεδεμένη στο τροφοδοτικό DC εισόδου και η άλλη πλευρά είναι συνδεδεμένη στο ηλεκτρικό δίκτυο AC. Κατά τη διαδικασία εργασίας, μόνο δύο αντίθετοι διακόπτες μπορούν να απενεργοποιηθούν ταυτόχρονα.
Εάν η ταχύτητα μεταγωγής αυτής της γέφυρας έχει ρυθμιστεί να είναι ίδια με τη συχνότητα του δικτύου, θεωρητικά η πλευρά εξόδου της γέφυρας μπορεί να συνδεθεί στο δίκτυο. Ωστόσο, δεδομένου ότι το ρεύμα εξόδου είναι ένα τετράγωνο κύμα χωρίς αλλαγή στην ένταση, είναι απαραίτητο να εγκατασταθεί ένας επαγωγέας με έναν πυρήνα σιδήρου στο άκρο εξόδου για τον έλεγχο του ρεύματος εξόδου σε σχήμα ημιτονοειδούς κύματος. Η αποσύνδεση της γέφυρας πραγματοποιείται με τη χρήση παλμικής διαδικασίας, με αποτέλεσμα ένα μικρότερο στοιχείο ρεύματος που σχετίζεται με τον παλμό. Αυτό το στοιχείο ρεύματος μπορεί να ελέγξει το ρεύμα του επαγωγέα. Η συχνότητα του παλμού είναι γενικά 20 kHz, που μπορεί να σχηματίσει πλήρως ένα ρεύμα 50 Hz, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (β).
Για τους φωτοβολταϊκούς μετατροπείς, υπάρχει μια άλλη πολύ σημαντική συσκευή που δεν μπορεί να παραβλεφθεί: ο πυκνωτής στο άκρο εισόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα 1 (γ). Η λειτουργία των πυκνωτών είναι να αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια, να διασφαλίζουν ότι το ρεύμα από την πλευρά παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τροφοδοτείται συνεχώς και με συνέπεια στον διακόπτη γέφυρας και να εισέρχεται στο δίκτυο μέσω μιας γέφυρας που αλλάζει συγχρόνως με τη συχνότητα του δικτύου. Μόνο όταν η χωρητικότητα του πυκνωτή εισόδου είναι αρκετά μεγάλη, μπορεί να είναι εγγυημένη η συνεχής και κανονική λειτουργία του φωτοβολταϊκού συστήματος παραγωγής ενέργειας.
Σε πρακτικές εφαρμογές, το εύρος της τάσης εισόδου έχει ορισμένους περιορισμούς. Για εφαρμογές παραγωγής ενέργειας που συνδέονται με το δίκτυο, η τάση εισόδου πρέπει να είναι πάντα υψηλότερη από την τάση αιχμής του δικτύου. Όταν η πραγματική τιμή της τάσης δικτύου είναι 250 V, για να επιτευχθεί κανονική σύνδεση στο δίκτυο, η ελάχιστη τάση στην πλευρά παραγωγής ενέργειας απαιτείται να είναι 354 V.
Σε αντίθεση με τη βασική σχεδίαση των τυπικών μετατροπέων, υπάρχουν πολλοί τρόποι προσαρμογής ή αύξησης του εύρους τάσης εισόδου για μετατροπείς απευθείας συνδεδεμένους στο δίκτυο. Οι λύσεις και οι δομές τεχνολογίας μετατροπέων που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι διαφορετικές. Η δομή τοπολογίας του μετατροπέα που αναφέρθηκε παραπάνω δεν διαφέρει μόνο ως προς την ηλεκτρική απομόνωση, αλλά και ως προς την επιτεύξιμη απόδοση, την εξάρτηση από την τάση και άλλες πτυχές. Επομένως, δεν υπάρχει ενοποιημένος τύπος για να ορίσετε ποιος σχεδιασμός μετατροπέα είναι ο καλύτερος και τα ειδικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα που χρησιμοποιείται πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τη σχεδίαση.
Μια άλλη τάση στο σχεδιασμό των φωτοβολταϊκών μετατροπέων είναι η επέκταση του εύρους της τάσης εισόδου, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του ρεύματος εισόδου στο ίδιο επίπεδο ισχύος ή σε αύξηση του επιπέδου ισχύος στο ίδιο ρεύμα εισόδου. Όταν η τάση εισόδου είναι σχετικά υψηλή, πρέπει να χρησιμοποιείται IGBT με υψηλότερη ονομαστική τάση (εντός του εύρους των 1200 V), με αποτέλεσμα μεγαλύτερες απώλειες. Ένας τρόπος για να λύσετε αυτό το πρόβλημα είναι να χρησιμοποιήσετε έναν μετατροπέα τριών επιπέδων
Χρησιμοποιώντας δύο ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές συνδεδεμένους σε σειρά, η υψηλή τάση εισόδου μπορεί να χωριστεί στο μισό και το μέσο σημείο μπορεί να συνδεθεί στην ουδέτερη γραμμή. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας διακόπτης 600V. Ένας μετατροπέας τριών επιπέδων μπορεί να μετατρέψει μεταξύ τριών επιπέδων:+ Vbus, 0V και - Vbus. Εκτός από το ότι είναι πιο αποτελεσματικός από τη λύση δομής διακόπτη 1200 V, ο μετατροπέας τριών επιπέδων έχει επίσης ένα πλεονέκτημα ότι μειώνει σημαντικά την επαγωγή εξόδου. Ο μετατροπέας τριών επιπέδων έχει δύο σημαντικά χαρακτηριστικά:
① Η ημιτονοειδής κυματομορφή τάσης εξόδου που συντίθεται με βήματα πολλαπλών επιπέδων μειώνει σημαντικά το περιεχόμενο αρμονικών και βελτιώνει την κυματομορφή της τάσης εξόδου σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς μετατροπείς δύο επιπέδων υπό τις ίδιες συνθήκες συχνότητας μεταγωγής.
② Η ονομαστική τάση του σωλήνα μεταγωγής είναι μόνο η μισή της τάσης στο δίαυλο DC, επιτρέποντας την εφαρμογή συσκευών μεταγωγής χαμηλής τάσης σε μετατροπείς υψηλής τάσης.
Ωστόσο, τα μειονεκτήματα των μετατροπέων τριών επιπέδων είναι οι πολύπλοκες στρατηγικές ελέγχου και το πρόβλημα της μη ισορροπημένης τάσης μεσαίου σημείου, η οποία είναι μια μοιραία αδυναμία των μετατροπέων τριών επιπέδων. Προφανώς, εάν η τάση μεσαίου σημείου δύο πυκνωτών που συνδέονται παράλληλα στον δίαυλο DC του μετατροπέα είναι ασταθής κατά τη λειτουργία, θα προκαλέσει αλλαγές στην τάση εξόδου τριών επιπέδων, η οποία όχι μόνο παραμορφώνει την κυματομορφή της τάσης εξόδου και αυξάνει τις αρμονικές κάνει το τριφασικό ρεύμα εξόδου ασύμμετρο, χάνοντας το πλεονέκτημα του μετατροπέα τριών επιπέδων. Ωστόσο, επί του παρόντος δεν υπάρχει θεμελιώδης λύση στο πρόβλημα της μη ισορροπημένης τάσης μεσαίου σημείου. Μια αντιπροσωπευτική μέθοδος είναι η χρήση βελτιωμένων κυκλωμάτων υλικού για την επίτευξη ισορροπίας τάσης μεσαίου σημείου. Το δεύτερο είναι να επιτευχθεί ισορροπία τάσης αλλάζοντας το χρονισμό των διακοπτών ή ελέγχοντας τη διάρκεια της διανυσματικής τάσης. Υπάρχουν όμως προβλήματα με πολύπλοκα κυκλώματα και μη ικανοποιητικά αποτελέσματα ελέγχου.
Επί του παρόντος, εφόσον το φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας έχει σχεδιαστεί λογικά, μπορεί να λειτουργήσει οικονομικά. Οι μετατροπείς χωρίς μετασχηματιστές που είναι άμεσα ενσωματωμένοι στο ηλεκτρικό δίκτυο αποτιμώνται όλο και περισσότερο για το χαμηλό κόστος και την υψηλή τους απόδοση. Οι μετασχηματιστές μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μαγνητική ενέργεια και στη συνέχεια μετατρέπουν τη μαγνητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η απώλεια ενέργειας που προκαλείται από τη συσκευή ηλεκτρικής απομόνωσης που είναι εγκατεστημένη μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου και εξόδου μπορεί να φτάσει το 1%, ή ακόμα και το 2%. Επομένως, η απόδοση λειτουργίας των μετατροπέων χωρίς μετασχηματιστή είναι υψηλότερη από αυτή των μετατροπέων μετασχηματιστή και αυτή η τεχνολογία έχει πολλά άλλα πλεονεκτήματα, όπως χαμηλή κατανάλωση υλικού και μικρό βάρος.