基于提高太陽(yáng)能逆變器的轉換效率的解決方案

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 Trench 和 NPT Field Stop，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/A的EOFF ，比較采用更先進(jìn)技術(shù)器件的EOFF為80uJ/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Stealth 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)，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 Stealth II 二極管 FFP08S60S可以提供更高的性能。當VDD=390V、 ID=8A、di/dt=200A/us，且外殼溫度為 100ºC時(shí)，計算得出的開(kāi)關(guān)損耗低于FFP08S60S的參數205mJ。而采用ISL9R860P2 Stealth 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，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。

圖2：MOSFET全橋

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)，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)，Stealth II、Hyperfast II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。