飛兆高功率逆變器設計方案

I 引言和摘要

由于對可再生能源的需求，太陽(yáng)能逆變器 (光電逆變器)的市場(chǎng)正在不斷增長(cháng)。 而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。 本文對這些逆變器中采用的功率電路進(jìn)行了考察， 并推薦了針對開(kāi)關(guān)和整流器件的最佳選擇。

光電逆變器的一般結構如圖1 所示， 有三種不同的逆變器可供選擇。 太陽(yáng)光照射在通過(guò)串聯(lián)方式連接的太陽(yáng)能模塊上， 每一個(gè)模塊都包含了一組串聯(lián)的太陽(yáng)能電池(太陽(yáng)能電池)單元。 太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生的直流(DC)電壓在幾百伏的數量級， 具體數值根據模塊陣列的光照條件、 電池的溫度及串聯(lián)模塊的數量而定。

這類(lèi)逆變器的首要功能是把輸入的直流電壓轉換為一穩定的值。 該功能通過(guò)升壓轉換器來(lái)實(shí)現， 并需要升壓開(kāi)關(guān)和升壓二極管。

在第一種結構中，升壓級之后是一個(gè)隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個(gè)全橋變換器是用來(lái)從第一級的全橋變換器的直流直流變換成交流(AC)電壓。 其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點(diǎn)繼電器開(kāi)關(guān)連接到交流電電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )之前被濾波， 目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網(wǎng)隔離。

第二種結構是非隔離方案。其中，交流電交流電壓由升壓級輸出的直流電壓直接產(chǎn) 生。

第三種結構利用功率開(kāi)關(guān)和功率二極管的創(chuàng )新型拓撲結構，把升壓和交流電交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個(gè)專(zhuān)用拓撲中。

盡管太陽(yáng)能電池板的轉換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。 在德國， 安裝在朝南屋頂上的 3kW 串聯(lián)模塊預計每年可發(fā)電 2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發(fā)電 25kWh。而利用額外的太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生這25kWh 的費用與增加一個(gè)逆變器相當。 由于效率從 95% 提高到 96% 不會(huì )使到逆變器的成本加倍， 故對更高效的逆變器進(jìn)行投資是必然的選擇。 對新興設計而言， 以最具成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設計準則。

至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個(gè)設計準則。更高的效率可以降低負載周期上的溫度波動(dòng)，從而提高可靠性，因此，這些準則實(shí)際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會(huì )提高可靠性。

圖1 所示的所有拓撲都需要快速轉換的功率開(kāi)關(guān)。 升壓級和全橋變換級需要快速轉換二極管。 此外， 專(zhuān)門(mén)為低頻(100Hz)轉換而優(yōu)化的開(kāi)關(guān)對這些拓撲也很有用處。 對于任何特定的硅技術(shù)， 針對快速轉換優(yōu)化的開(kāi)關(guān)比針對低頻轉換應用優(yōu)化的開(kāi)關(guān)具有更高的導通損耗。

II 用于升壓級的開(kāi)關(guān)和二極管

升壓級一般設計為連續電流模式轉換器。根據逆變器所采用的陣列中太陽(yáng)能模塊的數量，來(lái)選者使用600V 還是 1200V 的器件。

功率開(kāi)關(guān)的兩個(gè)選擇是MOSFET 和 IGBT。一般而言，MOSFET 比 IGBT 可以工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率下。 此外， 還必須始終考慮體二極管的影響： 在升壓級的情況下并沒(méi)有什么問(wèn)題， 因為正常工作模式下體二極管不導通。 MOSFET 的導通損耗可根據導通阻抗 RDS(ON)來(lái)計算， 對于給定的 MOSFET 系列， 這與有效裸片面積成比例關(guān)系。 當額定電壓從 600V 變化到 1200V 時(shí)， MOSFET 的傳導損耗會(huì )大大增加， 因此，即使額定 RDS(ON)相當， 1200V 的 MOSFET 也不可用或是價(jià)格太高。

對于額定600V 的升壓開(kāi)關(guān)， 可采用超結 MOSFET。對高頻開(kāi)關(guān)應用，這種技術(shù)具有最佳的導通損耗。目前市面上有采用TO-220 封裝、 RDS(ON)值低于 100 毫歐的 MOSFET 和采用 TO-247 封裝、 RDS(ON)值低于 50 毫歐的 MOSFET。

對于需要1200V 功率開(kāi)關(guān)的太陽(yáng)能逆變器， IGBT 是適當的選擇。 較先進(jìn)的 IGBT 技術(shù)， 比如 NPT戰壕和 NPT領(lǐng)域停止，都針對降低導通損耗做了優(yōu)化， 但代價(jià)是較高的開(kāi)關(guān)損耗， 這使得它們不太適合于高頻下的升壓應用。

飛兆半導體在舊有NPT 平面技術(shù)的基礎上開(kāi)發(fā)了一種可以提高高開(kāi)關(guān)頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有 43uJ和的 EOFF，比較采用更先進(jìn)技術(shù)器件的 EOFF 為 80uJ和A，但要獲得這種性能卻非常困難。 FGL40N120AND 器件的缺點(diǎn)在于飽和壓降VCE(SAT)(3.0V 相對于 125oC 的 2.1V)較高， 不過(guò)它在高升壓開(kāi)關(guān)頻率下開(kāi)關(guān)損耗很低的優(yōu)點(diǎn)已足以彌補這一切。 該器件還集成了反并聯(lián)二極管。 在正常升壓工作下， 該二極管不會(huì )導通。 然而， 在啟動(dòng)期間或瞬變情況下， 升壓電路有可能被驅使進(jìn)入工作模式， 這時(shí)該反并聯(lián)二極管就會(huì )導通。 由于 IGBT 本身沒(méi)有固有的體二極管， 故需要這種共封裝的二極管來(lái)保證可靠的工作。

對升壓二極管，需要秘密行動(dòng)？ 或碳硅二極管這樣的快速恢復二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。不過(guò)目前它們的價(jià)格都很高昂。

在選擇升壓二極管時(shí)控制工程網(wǎng)版權所有，必須考慮到反向恢復電流 (或碳硅二極管的結電容)對升壓開(kāi)關(guān)的影響， 因為這會(huì )導致額外的損耗。 在這里， 新推出的秘密行動(dòng)II 二極管 FFP08S60S 可以提供更高的性能。 當 VDD=390V 、 ID=8A 、 di/dt=200A和我們，且外殼溫度為 100oC 時(shí)控制工程網(wǎng)版權所有， 計算得出的開(kāi)關(guān)損耗低于 FFP08S60S 的參數205mJ。而采用ISL9R860P2秘密行動(dòng)二極管， 這個(gè)值則達 225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開(kāi)關(guān)頻率下的效率。

III 用于橋接和專(zhuān)用級的開(kāi)關(guān)和二極管

濾波之后，輸出橋產(chǎn)生一個(gè)50Hz 的正弦電壓及電流信號。 一種常見(jiàn)的實(shí)現方案是采用標準全橋結構(圖 2)。圖中若左上方和右下方的開(kāi)關(guān)導通，則在左右終端之間加載一個(gè)正電壓；右上方和左下方的開(kāi)關(guān)導通，則在左右終端之間加載一個(gè)負電壓。

對于這種應用，在某一時(shí)段只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導通。一個(gè)開(kāi)關(guān)可被切換到PWM 高頻下CONTROL，另一開(kāi)關(guān)則在 50Hz 低頻下。由于自舉電路依賴(lài)于低端器件的轉換， 故低端器件被切換到 PWM 高頻下， 而高端器件被切換到 50Hz 低頻下。

這應用采用了600V 的功率開(kāi)關(guān)，故 600V 超結 MOSFET 非常適合這個(gè)高速的開(kāi)關(guān)器件。 由于這些開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)關(guān)導通時(shí)會(huì )承受其它器件的全部反向恢復電流， 因此快速恢復超結器件如 600V FCH47N60F 是十分理想的選擇。 它的 RDS(ON)為 73 毫歐， 相比其它同類(lèi)的快速恢復器件其導通損耗很低。 當這種器件在 50Hz 下進(jìn)行轉換時(shí)控制工程網(wǎng)版權所有， 無(wú)需使用快速恢復特性。 這些器件具有出色的 dv/dt 和 di/dt 特性， 比較標準超結 MOSFET 可提高系統的可靠性。

另一個(gè)值得探討的選擇是采用FGH30N60LSD 器件。 它是一顆飽和電壓 VCE(SAT)只有 1.1V 的 30A/600V IGBT。其關(guān)斷損耗EOFF 非常高， 達 10mJ，故只適合于低頻轉換。 一個(gè) 50 毫歐的 MOSFET 在工作溫度下導通阻抗 RDS(ON)為 100 毫歐。 因此在 11A 時(shí)， 具有和 IGBT 的 VCE(SAT)相同的 VDS。由于這種IGBT 基于較舊的擊穿技術(shù)， VCE(SAT)隨溫度的變化不大。 因此， 這種 IGBT 可降低輸出橋中的總體損耗， 從而提高逆變器的總體效率。

FGH30N60LSD IGBT 在每半周期從一種功率轉換技術(shù)切換到另一種專(zhuān)用拓撲的做法也十分有用。 IGBT 在這里被用作拓撲開(kāi)關(guān)。 在較快速的轉換時(shí)則使用常規及快速恢復超結器件。

對于1200V 的專(zhuān)用拓撲及全橋結構， 前面提到的 FGL40N120AND 是非常適合于新型高頻太陽(yáng)能逆變器的開(kāi)關(guān)。 當專(zhuān)用技術(shù)需要二極管時(shí)，秘密行動(dòng)II 、 Hyperfast II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。