Bất kể công nghệ được sử dụng là gì, thiết kế cơ bản của biến tần đều rõ ràng và rất giống nhau. Cốt lõi là quá trình chuyển đổi điện áp DC (mô-đun pin mặt trời) thành điện áp xoay chiều (nối lưới). Trong quá trình biến đổi, các cực dương và cực âm của dòng điện một chiều liên tục được biến đổi thành dòng điện xoay chiều có hướng thay đổi. Vì vậy, thành phần chính của biến tần là công tắc cầu (thiết bị nguồn), như trong Hình 1 (a). Một bên của cầu chuyển mạch này được kết nối với nguồn điện DC đầu vào và bên còn lại được kết nối với lưới điện AC. Trong quá trình làm việc, chỉ có thể tắt đồng thời hai công tắc đối diện.
Nếu tốc độ chuyển mạch của cầu này được đặt bằng tần số lưới thì về mặt lý thuyết phía đầu ra của cầu có thể được kết nối với lưới. Tuy nhiên, do dòng điện đầu ra là sóng vuông không thay đổi cường độ nên cần lắp một cuộn cảm có lõi sắt ở đầu ra để điều khiển dòng điện đầu ra thành dạng sóng hình sin. Việc ngắt kết nối cầu được thực hiện bằng quy trình xung, dẫn đến thành phần dòng điện liên quan đến xung nhỏ hơn. Thành phần dòng điện này có thể điều khiển dòng điện của cuộn cảm. Tần số của xung thường là 20kHz, hoàn toàn có thể tạo thành dòng điện 50Hz, như trong Hình 1 (b).
Đối với bộ biến tần quang điện, có một thiết bị rất quan trọng khác không thể bỏ qua: tụ điện ở đầu vào, như trong Hình 1 (c). Chức năng của tụ điện là lưu trữ năng lượng điện, đảm bảo dòng điện từ phía phát điện được cung cấp liên tục và ổn định đến công tắc cầu và đi vào lưới điện thông qua một cầu thay đổi đồng bộ với tần số lưới điện. Chỉ khi công suất của tụ điện đầu vào đủ lớn thì hệ thống phát điện quang điện mới được đảm bảo hoạt động liên tục và bình thường.
Trong các ứng dụng thực tế, dải điện áp đầu vào có những hạn chế nhất định. Đối với các ứng dụng phát điện nối lưới, điện áp đầu vào phải luôn cao hơn điện áp đỉnh của lưới. Khi giá trị hiệu dụng của điện áp lưới là 250V, để đạt được kết nối lưới bình thường, điện áp tối thiểu ở phía phát điện phải là 354V.
Không giống như thiết kế cơ bản của các bộ biến tần tiêu chuẩn, có nhiều cách để điều chỉnh hoặc tăng dải điện áp đầu vào cho các bộ biến tần nối trực tiếp vào lưới. Các giải pháp và cấu trúc công nghệ biến tần thường được sử dụng đều khác nhau. Cấu trúc cấu trúc liên kết của biến tần được đề cập ở trên không chỉ khác nhau về cách ly điện mà còn khác nhau về hiệu suất có thể đạt được, sự phụ thuộc vào điện áp và các khía cạnh khác. Do đó, không có công thức thống nhất để xác định thiết kế biến tần nào là tốt nhất và các đặc tính cụ thể của biến tần được sử dụng phải được xem xét trong thiết kế.
Một xu hướng khác trong thiết kế bộ biến tần quang điện là mở rộng dải điện áp đầu vào, điều này có thể dẫn đến giảm dòng điện đầu vào ở cùng mức công suất hoặc tăng mức công suất ở cùng một dòng điện đầu vào. Khi điện áp đầu vào tương đối cao, cần sử dụng IGBT có điện áp định mức cao hơn (trong phạm vi 1200V), dẫn đến tổn thất lớn hơn. Một cách để giải quyết vấn đề này là sử dụng biến tần ba cấp
Bằng cách sử dụng hai tụ điện nối tiếp, điện áp đầu vào cao có thể được chia đôi và điểm giữa có thể được kết nối với đường trung tính. Trong trường hợp này, có thể sử dụng công tắc 600V. Biến tần ba cấp có thể chuyển đổi giữa ba cấp:+ Vbus, 0V và - Vbus. Ngoài hiệu quả hơn giải pháp cấu trúc công tắc 1200V, biến tần 3 cấp còn có ưu điểm là giảm đáng kể độ tự cảm đầu ra. Biến tần ba cấp có hai đặc điểm quan trọng:
① Dạng sóng hình sin điện áp đầu ra được tổng hợp theo nhiều bước làm giảm đáng kể hàm lượng sóng hài và cải thiện dạng sóng điện áp đầu ra so với các bộ biến tần hai cấp truyền thống trong cùng điều kiện tần số chuyển mạch;
② Định mức điện áp của ống chuyển mạch chỉ bằng một nửa điện áp trên bus DC, cho phép áp dụng các thiết bị chuyển mạch điện áp thấp trong bộ chuyển đổi điện áp cao.
Tuy nhiên, nhược điểm của bộ biến tần ba cấp là chiến lược điều khiển phức tạp và vấn đề điện áp trung điểm không cân bằng, đây là điểm yếu chết người của bộ biến tần ba cấp. Rõ ràng, nếu điện áp trung điểm của hai tụ điện mắc song song trên bus DC của biến tần không ổn định trong quá trình hoạt động sẽ gây ra sự thay đổi điện áp ba cấp đầu ra, không chỉ làm méo dạng sóng điện áp đầu ra và tăng sóng hài mà còn làm cho dòng điện ra ba pha không đối xứng, làm mất đi ưu điểm của bộ nghịch lưu ba cấp. Tuy nhiên, hiện nay chưa có giải pháp cơ bản nào cho vấn đề mất cân bằng điện áp trung điểm. Một phương pháp tiêu biểu là sử dụng các mạch phần cứng cải tiến để đạt được sự cân bằng điện áp điểm giữa; Thứ hai là đạt được sự cân bằng điện áp bằng cách thay đổi thời gian của các công tắc hoặc điều khiển thời lượng của điện áp vectơ. Nhưng có vấn đề với các mạch phức tạp và hiệu ứng điều khiển không đạt yêu cầu.
Hiện nay, chỉ cần hệ thống phát điện quang điện được thiết kế hợp lý là có thể vận hành tiết kiệm. Bộ biến tần không cần máy biến áp được tích hợp trực tiếp vào lưới điện đang ngày càng được đánh giá cao nhờ chi phí thấp và hiệu quả cao. Máy biến áp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng từ tính, sau đó chuyển đổi năng lượng từ trường thành năng lượng điện. Tổn thất năng lượng do thiết bị cách ly điện được lắp đặt giữa đầu vào và đầu ra có thể lên tới 1%, thậm chí lên tới 2%. Do đó, hiệu suất hoạt động của bộ biến tần không biến áp cao hơn so với bộ biến tần biến áp và công nghệ này còn có nhiều ưu điểm khác như tiêu hao nguyên liệu thấp và trọng lượng nhẹ.