وبغض النظر عن التكنولوجيا المستخدمة، فإن التصميم الأساسي للعاكس واضح ومتشابه إلى حد كبير. الجوهر هو عملية تحويل جهد التيار المستمر (وحدات الخلايا الشمسية) إلى جهد تيار متردد (متصل بالشبكة). في عملية التحول، يتم تحويل الأقطاب الإيجابية والسلبية لكهرباء التيار المستمر بشكل مستمر لتكوين تيار متناوب مع تغيرات الاتجاه. لذا، فإن المكون الرئيسي للعاكس هو مفتاح الجسر (جهاز الطاقة)، كما هو موضح في الشكل 1 (أ). يتم توصيل أحد جانبي جسر التبديل هذا بمصدر طاقة التيار المستمر، ويتم توصيل الجانب الآخر بشبكة طاقة التيار المتردد. أثناء عملية العمل، يمكن إيقاف تشغيل مفتاحين متعارضين فقط في وقت واحد.
إذا تم ضبط سرعة التبديل لهذا الجسر لتكون نفس تردد الشبكة، فمن الناحية النظرية يمكن توصيل جانب الإخراج من الجسر بالشبكة. ومع ذلك، بما أن تيار الخرج عبارة عن موجة مربعة بدون تغيير في الشدة، فمن الضروري تركيب محث ذو قلب حديدي في طرف الخرج للتحكم في تيار الخرج في شكل موجة جيبية. ويتم فصل الجسر باستخدام عملية نبضية، مما ينتج عنه مكون تيار أصغر مرتبط بالنبض. يمكن لهذا المكون الحالي التحكم في تيار المحث. تردد النبضة بشكل عام هو 20 كيلو هرتز، والذي يمكن أن يشكل تيارًا قدره 50 هرتز، كما هو موضح في الشكل 1 (ب).
بالنسبة للعاكسات الكهروضوئية، هناك جهاز آخر مهم جدًا لا يمكن إغفاله: المكثف الموجود في طرف الإدخال، كما هو موضح في الشكل 1 (ج). تتمثل وظيفة المكثفات في تخزين الطاقة الكهربائية، والتأكد من إمداد التيار من جانب توليد الطاقة بشكل مستمر ومتسق إلى مفتاح الجسر، والدخول إلى الشبكة من خلال جسر يتغير بشكل متزامن مع تردد الشبكة. فقط عندما تكون سعة مكثف الإدخال كبيرة بما يكفي، يمكن ضمان التشغيل المستمر والعادي لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية.
في التطبيقات العملية، نطاق جهد الدخل له قيود معينة. بالنسبة لتطبيقات توليد الطاقة المتصلة بالشبكة، يجب أن يكون جهد الدخل أعلى دائمًا من ذروة جهد الشبكة. عندما تكون القيمة الفعالة لجهد الشبكة 250 فولت، من أجل تحقيق اتصال عادي بالشبكة، يجب أن يكون الحد الأدنى للجهد على جانب توليد الطاقة 354 فولت.
على عكس التصميم الأساسي للعاكسات القياسية، هناك العديد من الطرق لضبط أو زيادة نطاق جهد الدخل للمحولات المتصلة بالشبكة المباشرة. تختلف حلول وهياكل تقنية العاكس شائعة الاستخدام. لا يختلف الهيكل الطوبولوجي للعاكس المذكور أعلاه في العزل الكهربائي فحسب، بل يختلف أيضًا في الكفاءة التي يمكن تحقيقها، والاعتماد على الجهد، وجوانب أخرى. لذلك، لا توجد صيغة موحدة لتحديد أي تصميم للعاكس هو الأفضل، ويجب مراعاة الخصائص المحددة للعاكس المستخدم في التصميم.
هناك اتجاه آخر في تصميم العاكسات الكهروضوئية وهو توسيع نطاق جهد الإدخال، مما قد يؤدي إلى انخفاض في تيار الإدخال عند نفس مستوى الطاقة أو زيادة في مستوى الطاقة عند نفس تيار الإدخال. عندما يكون جهد الدخل مرتفعًا نسبيًا، يجب استخدام IGBT بجهد مقنن أعلى (ضمن نطاق 1200 فولت)، مما يؤدي إلى خسائر أكبر. إحدى طرق حل هذه المشكلة هي استخدام عاكس ثلاثي المستويات
باستخدام سلسلتين من المكثفات الإلكتروليتية المتصلة، يمكن تقسيم جهد الدخل العالي إلى النصف، ويمكن توصيل نقطة المنتصف بالخط المحايد. في هذه الحالة، يمكن استخدام مفتاح 600 فولت. يمكن للعاكس ثلاثي المستويات التحويل بين ثلاثة مستويات: + Vbus، 0V، و- Vbus. بالإضافة إلى كونه أكثر فعالية من حل هيكل المفتاح 1200 فولت، فإن العاكس ثلاثي المستويات لديه أيضًا ميزة تقليل محاثة الإخراج بشكل ملحوظ. يتميز العاكس ثلاثي المستويات بخاصيتين مهمتين:
① الشكل الموجي الجيبي لجهد الخرج الذي تم تصنيعه بواسطة خطوات متعددة المستويات يقلل بشكل كبير من المحتوى التوافقي ويحسن شكل موجة جهد الخرج مقارنة بالمحولات التقليدية ذات المستويين في ظل نفس ظروف تردد التبديل؛
② معدل الجهد لأنبوب التبديل هو فقط نصف الجهد الموجود في ناقل التيار المستمر، مما يسمح بتطبيق أجهزة التبديل ذات الجهد المنخفض في محولات الجهد العالي.
ومع ذلك، فإن عيوب العاكسات ثلاثية المستويات هي استراتيجيات التحكم المعقدة ومشكلة الجهد المتوسط غير المتوازن، وهو ضعف قاتل للعاكسات ثلاثية المستويات. من الواضح أنه إذا كان جهد النقطة الوسطى لمكثفين متصلين بالتوازي على ناقل التيار المستمر للعاكس غير مستقر أثناء التشغيل، فسوف يتسبب ذلك في حدوث تغييرات في جهد الخرج ثلاثي المستويات، والذي لا يشوه شكل موجة جهد الخرج ويزيد من التوافقيات فحسب، بل أيضًا يجعل تيار الإخراج ثلاثي الطور غير متماثل، مما يفقد ميزة العاكس ثلاثي المستويات. ومع ذلك، لا يوجد حاليا أي حل جذري لمشكلة الجهد المتوسط غير المتوازن. إحدى الطرق التمثيلية هي استخدام دوائر الأجهزة المحسنة لتحقيق توازن جهد النقطة الوسطى؛ والثاني هو تحقيق توازن الجهد عن طريق تغيير توقيت المفاتيح أو التحكم في مدة الجهد المتجه. ولكن هناك مشاكل في الدوائر المعقدة وتأثيرات التحكم غير المرضية.
في الوقت الحاضر، طالما أن نظام توليد الطاقة الكهروضوئية مصمم بشكل معقول، فإنه يمكن أن يعمل بشكل اقتصادي. يتم بشكل متزايد تقييم العاكسات الخالية من المحولات والتي يتم دمجها مباشرة في شبكة الطاقة بسبب تكلفتها المنخفضة وكفاءتها العالية. تقوم المحولات بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة مغناطيسية، ومن ثم تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة كهربائية. يمكن أن يصل فقدان الطاقة الناتج عن جهاز العزل الكهربائي المثبت بين أطراف الإدخال والإخراج إلى 1%، أو حتى 2%. ولذلك، فإن كفاءة تشغيل العاكسات بدون محولات أعلى من كفاءة تشغيل المحولات، كما أن لهذه التكنولوجيا العديد من المزايا الأخرى، مثل انخفاض استهلاك المواد وخفة الوزن.