Sự đa dạng của các thiết kế kiến trúc chắc chắn dẫn đến nhiều cách lắp đặt tấm pin mặt trời khác nhau. Để tối đa hóa hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời trong khi vẫn giữ được tính thẩm mỹ của tòa nhà, cần có nhiều loại bộ biến tần để đạt được khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời tối ưu. Biến tần chuỗi đã trở thành sự lựa chọn phổ biến nhất trên thị trường quốc tế. Dựa trên khái niệm mô-đun, mỗi chuỗi quang điện (PV) (từ 1 kW đến 5 kW) được kết nối với một biến tần riêng, có tính năng Theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) ở phía DC và kết nối song song với lưới ở phía AC. Nhiều nhà máy điện PV quy mô lớn sử dụng bộ biến tần chuỗi. Ưu điểm của chúng bao gồm khả năng miễn nhiễm với các biến đổi hiệu suất giữa các mô-đun trong các chuỗi khác nhau và giảm tác động từ bóng đổ; hơn nữa, chúng giảm thiểu sự không phù hợp giữa các điểm vận hành tối ưu của mô-đun quang điện và bộ biến tần, từ đó tăng tổng sản lượng điện. Những thế mạnh kỹ thuật này không chỉ làm giảm chi phí hệ thống mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống tổng thể. Ngoài ra, cấu hình "master-slave" cho phép liên kết nhiều chuỗi PV với nhau; nếu năng lượng từ một chuỗi không đủ để vận hành một bộ biến tần riêng lẻ, hệ thống có thể kết hợp các chuỗi để đảm bảo rằng một hoặc nhiều bộ biến tần vẫn hoạt động, dẫn đến sản lượng năng lượng cao hơn. Cách tiếp cận mới nhất liên quan đến việc nhiều bộ biến tần tạo thành một "nhóm" thay vì dựa vào thiết lập "chính-phụ", giúp cải thiện hơn nữa độ tin cậy của hệ thống. Được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng tái tạo, thị trường bộ biến tần năng lượng mặt trời (PV) đang mở rộng nhanh chóng. Những bộ biến tần này đòi hỏi hiệu suất và độ tin cậy đặc biệt cao. Phân tích này kiểm tra các mạch điện được sử dụng trong các bộ biến tần như vậy và đề xuất các thành phần tối ưu để chuyển mạch và chỉnh lưu. Có ba kiến trúc chung riêng biệt dành cho bộ biến tần PV. Ánh sáng mặt trời chiếu vào các mô-đun năng lượng mặt trời được kết nối nối tiếp, trong đó mỗi mô-đun chứa một loạt pin mặt trời riêng lẻ. Điện áp DC do các mô-đun năng lượng mặt trời này tạo ra thường nằm trong khoảng vài trăm volt - giá trị thay đổi tùy theo điều kiện bức xạ của mảng mô-đun, nhiệt độ của tế bào và số lượng mô-đun được kết nối trong chuỗi nối tiếp. Chức năng chính của loại biến tần này là chuyển đổi điện áp DC đầu vào thành giá trị ổn định. Điều này đạt được thông qua một bộ chuyển đổi tăng tốc, đòi hỏi một công tắc tăng tốc và một diode tăng áp. Trong cấu hình đầu tiên, giai đoạn tăng áp được theo sau bởi một bộ chuyển đổi toàn cầu cách ly, trong đó máy biến áp toàn cầu cung cấp cách ly điện. Bộ chuyển đổi toàn cầu thứ hai ở phía đầu ra sẽ chuyển đổi điện áp DC từ giai đoạn đầu tiên thành điện áp xoay chiều. Sau đó, đầu ra được lọc trước khi kết nối với lưới điện xoay chiều thông qua rơle tiếp điểm kép, đảm bảo ngắt kết nối an toàn khi có sự cố và cách ly khỏi lưới điện vào ban đêm. Cấu hình thứ hai là thiết kế không cách ly, trong đó điện áp xoay chiều được tạo ra trực tiếp từ đầu ra DC của tầng tăng áp. Cấu hình thứ ba sử dụng cấu trúc liên kết cải tiến tích hợp các chức năng tăng cường và tạo AC vào một mạch chuyên dụng duy nhất. Mặc dù hiệu suất chuyển đổi của các tấm pin mặt trời khá thấp nhưng điều quan trọng là bộ biến tần phải đạt được hiệu suất gần 100% nhất có thể. Ở Đức, một dãy mô-đun năng lượng mặt trời 3 kW được lắp đặt trên mái nhà hướng về phía Nam dự kiến sẽ tạo ra 2.550 kWh mỗi năm. Việc tăng hiệu suất của bộ biến tần từ 95% lên 96% sẽ mang lại thêm 25 kWh mỗi năm - một lượng mà nếu không sẽ phải lắp đặt thêm các mô-đun năng lượng mặt trời, với chi phí tương đương với chi phí của một bộ biến tần bổ sung. Vì việc cải thiện hiệu suất từ 95% lên 96% không làm tăng gấp đôi chi phí của bộ biến tần nên đầu tư vào các thiết bị có hiệu suất cao hơn là một lựa chọn hợp lý. Đối với các thiết kế mới nổi, tối đa hóa hiệu suất biến tần theo cách tiết kiệm chi phí nhất là tiêu chí thiết kế quan trọng bên cạnh độ tin cậy và chi phí. Hiệu suất cao hơn làm giảm biến động nhiệt độ trong chu kỳ tải, từ đó nâng cao độ tin cậy; do đó, các tiêu chí này vốn đã được liên kết với nhau. Việc sử dụng các thành phần mô-đun cũng góp phần nâng cao độ tin cậy. Tất cả các cấu trúc liên kết được hiển thị trong Hình 1 đều yêu cầu các thiết bị nguồn chuyển mạch nhanh, trong khi các giai đoạn tăng tốc và toàn cầu cũng yêu cầu sử dụng điốt chuyển mạch nhanh. Hơn nữa, các công tắc được tối ưu hóa đặc biệt cho chuyển mạch tần số thấp (100 Hz) cũng rất hữu ích cho các cấu trúc liên kết này. Đối với bất kỳ công nghệ silicon nhất định nào, các công tắc được tối ưu hóa cho chuyển mạch nhanh đều có tổn thất dẫn truyền cao hơn so với các công tắc được tối ưu hóa cho các ứng dụng tần số thấp.
Giai đoạn tăng tốc thường được thiết kế dưới dạng bộ chuyển đổi chế độ dẫn truyền liên tục (CCM). Việc lựa chọn giữa các thiết bị 600V và 1200V phụ thuộc vào số lượng mô-đun năng lượng mặt trời trong dãy được kết nối với biến tần. Công tắc nguồn thường bao gồm MOSFET hoặc IGBT; nói chung, MOSFET có thể hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn IGBT. Ngoài ra, tác động của diode cơ thể luôn phải được xem xét - mặc dù đây không phải là vấn đề trong giai đoạn tăng cường vì diode cơ thể không dẫn điện trong quá trình hoạt động bình thường. Tổn hao dẫn của MOSFET được xác định bởi điện trở khi bật của nó ($R_{DS(ON)}$), đối với một họ MOSFET nhất định, điện trở này tỷ lệ thuận với diện tích khuôn hiệu dụng. Khi định mức điện áp tăng từ 600V lên 1200V, tổn thất dẫn điện của MOSFET tăng đáng kể; do đó, ngay cả khi MOSFET 1200V có xếp hạng $R_{DS(ON)}$ tương đương, nó có thể không có sẵn hoặc cực kỳ đắt đỏ.
Đối với các công tắc tăng áp định mức 600V, MOSFET siêu tiếp giáp là một lựa chọn tuyệt vời, mang lại mức suy hao dẫn truyền tối ưu cho các ứng dụng chuyển mạch tần số cao. Các tùy chọn bao gồm MOSFET trong các gói TO-220 có $R_{DS(ON)}$ dưới 100 mΩ hoặc các MOSFET trong các gói TO-247 có $R_{DS(ON)}$ dưới 50 mΩ. Đối với các bộ biến tần năng lượng mặt trời cần công tắc nguồn 1200V thì IGBT là giải pháp thích hợp. Các công nghệ IGBT tiên tiến - chẳng hạn như NPT Trench và NPT Field Stop - được tối ưu hóa để giảm tổn hao dẫn điện nhưng điều này lại gây ra tổn hao chuyển mạch cao hơn, khiến chúng ít phù hợp hơn cho các ứng dụng tăng tần số cao. Dựa trên công nghệ phẳng NPT (Non-Punch-Through) kế thừa, thiết bị FGL40N120AND đã được phát triển để nâng cao hiệu quả của các mạch tăng cường hoạt động ở tần số chuyển mạch cao. Nó có $E_{OFF}$ (mất năng lượng khi tắt) ở mức hiệu suất 43 µJ/Aa, rất khó đạt được, đặc biệt khi so sánh với mức 80 µJ/A $E_{OFF}$ điển hình của các thiết bị sử dụng công nghệ tiên tiến hơn. Mặc dù FGL40N120AND có điện áp bão hòa tương đối cao ($V_{CE(SAT)}$)-3,0 V (hoặc 2,1 V ở 125 độ )-điều này được bù đắp nhiều hơn bởi tổn thất chuyển mạch đặc biệt thấp ở tần số tăng cao. Thiết bị còn tích hợp một diode chống song song. Trong điều kiện hoạt động tăng cường bình thường, diode này vẫn ở trạng thái không dẫn điện; tuy nhiên, trong quá trình khởi động hoặc các sự kiện nhất thời, mạch tăng cường có thể được chuyển sang chế độ vận hành trong đó diode chống song song bắt đầu dẫn điện. Do IGBT thiếu một diode cơ thể vốn có nên diode đóng gói này rất cần thiết để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy. Đối với bản thân đi-ốt tăng cường, cần phải có loại phục hồi nhanh - chẳng hạn như đi-ốt Stealth™ hoặc đi-ốt silicon cacbua (SiC). Đặc biệt, điốt SiC cung cấp điện áp chuyển tiếp rất thấp và tổn thất tối thiểu. Khi chọn một diode tăng áp, người ta phải tính đến tác động của dòng phục hồi ngược (hoặc, trong trường hợp điốt SiC, điện dung tiếp giáp) trên công tắc tăng áp, vì những yếu tố này góp phần gây ra tổn thất bổ sung. Trong bối cảnh này, diode Stealth II mới được giới thiệu (FFP08S60S) mang lại hiệu suất vượt trội: trong các điều kiện $V_{DD}=390\\text{ V}$, $I_D=8\\text{ A}$, $di/dt=200\\text{ A/µs}$ và nhiệt độ vỏ là 100 độ, tổn hao chuyển mạch được tính toán là 205 mJ, so với 225 mJ khi sử dụng đi-ốt tàng hình ISL9R860P2. Do đó, giải pháp này còn nâng cao hiệu suất của biến tần ở tần số chuyển mạch cao. Sau giai đoạn lọc và toàn cầu MOSFET, cầu đầu ra tạo ra tín hiệu dòng điện và điện áp hình sin 50Hz. Cách triển khai phổ biến sử dụng cấu trúc liên kết toàn cầu tiêu chuẩn (Hình 2). Trong cấu hình này, việc bật các công tắc trên cùng bên trái và dưới cùng bên phải sẽ tạo ra điện áp dương trên các đầu ra, trong khi bật các công tắc trên cùng bên phải và dưới cùng bên trái sẽ tạo ra điện áp âm. Trong ứng dụng này, chỉ có một công tắc hoạt động (dẫn điện) tại bất kỳ thời điểm nào. Một công tắc hoạt động ở tần số cao, trong khi công tắc còn lại hoạt động ở tần số thấp 50Hz. Do mạch khởi động phụ thuộc vào hoạt động chuyển mạch của thiết bị phía thấp nên công tắc phía thấp được vận hành ở tần số cao, trong khi công tắc phía cao hoạt động ở tần số 50Hz. Vì ứng dụng này sử dụng các công tắc nguồn 600V nên MOSFET siêu tiếp giáp 600V rất phù hợp. Bởi vì các công tắc này phải chịu được dòng điện phục hồi ngược hoàn toàn của các thiết bị bổ sung trong quá trình bật, nên các thiết bị siêu tiếp nối có khả năng phục hồi nhanh - chẳng hạn như 600V FCH47N60F - là một lựa chọn lý tưởng. Với $R_{DS(ON)}$ là 73 mΩ, thiết bị này mang lại tổn thất dẫn truyền thấp hơn so với các thành phần phục hồi nhanh tương tự khác. Mặc dù tính năng phục hồi nhanh không bắt buộc khi các thiết bị này chuyển đổi ở tần số 50Hz, nhưng chúng cung cấp các đặc tính $dv/dt$ và $di/dt$ vượt trội, giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống so với MOSFET siêu tiếp nối tiêu chuẩn.
Một lựa chọn khác đáng xem xét là FGH30N60LSD, IGBT 30A/600V có điện áp bão hòa ($V_{CE(SAT)}$) chỉ 1,1V. Do tổn thất khi tắt rất cao ($E_{OFF}$) là 10 mJ nên nó chỉ phù hợp để chuyển mạch tần số thấp. Một MOSFET 50 mΩ, ở nhiệt độ hoạt động, thể hiện $R_{DS(ON)}$ là 100 mΩ; do đó, ở dòng điện 11A, $V_{DS}$ của nó tương đương với $V_{CE(SAT)}$ của IGBT này. Hơn nữa, vì IGBT này dựa trên công nghệ đột phá cũ hơn nên $V_{CE(SAT)}$ của nó vẫn tương đối ổn định trước những thay đổi về nhiệt độ. Do đó, loại IGBT này có thể giảm tổng tổn thất ở cầu đầu ra, từ đó tăng hiệu suất tổng thể của biến tần. FGH30N60LSD IGBT cũng có hiệu quả cao đối với các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi giữa các công nghệ chuyển đổi năng lượng khác nhau—hoặc các cấu trúc liên kết cụ thể—trong mỗi nửa chu kỳ; trong những trường hợp như vậy, IGBT hoạt động như một công tắc cấu trúc liên kết. Để chuyển đổi chuyển mạch nhanh hơn, các thiết bị siêu tiếp nối thông thường hoặc phục hồi nhanh được sử dụng. Đối với các cấu trúc liên kết chuyên dụng và cấu hình toàn cầu được xếp hạng 1200V, FGL40N120AND nói trên là một công tắc lý tưởng cho các bộ biến tần năng lượng mặt trời tần số cao, hiện đại. Khi một công nghệ cụ thể yêu cầu điốt thì điốt Stealth II™, điốt Hyperfast™ II hoặc điốt silicon cacbua (SiC) sẽ là những giải pháp tuyệt vời.