優(yōu)化高電壓IGBT造就高效率太陽(yáng)能逆變器

隨著(zhù)綠色電力運動(dòng)勢頭不減，包括家電、照明和電動(dòng)工具等應用，以至其他工業(yè)用設備都在盡可能地利用太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)。為了有效地滿(mǎn)足這些產(chǎn)品的需求，電源設計師正通過(guò)最少數量的器件、高度可靠性和耐用性，以高效率把太陽(yáng)能源轉換成所需的交流或者直流電壓。

要為這些應用以高效率生產(chǎn)所需的交流輸出電壓和電流，太陽(yáng)能逆變器就需要控制、驅動(dòng)器和輸出功率器件的正確組合。要達到這個(gè)目標，在這里展示了一個(gè)針對500W功率輸出進(jìn)行優(yōu)化，并且擁有120V及60Hz頻率的單相正弦波的直流到交流逆變器設計。在這個(gè)設計中，有一個(gè)DC/DC電壓轉換器連接到光伏電池板，為這個(gè)功率轉換器提供200V直流輸入。不過(guò)在這里沒(méi)有提供太陽(yáng)能電池板的詳細資料，因為那方面不是我們討論的重點(diǎn)。

現在，市場(chǎng)上有不同的高級功率開(kāi)關(guān)，例如金屬氧化物半導體FET(MOSFET)，雙極型三極管(BJT)，以及絕綠柵雙極晶體管(IGBT)來(lái)轉換功率。然而，這個(gè)應用要達到最高的轉換效率和性能要求，就要選擇正確的功率晶體管。

多年來(lái)的調查和分析顯示，IGBT比其他功率晶體管有更多優(yōu)點(diǎn)，當中包括更高電流能力，利用電壓而非電流來(lái)進(jìn)行柵極控制，以及能夠與一個(gè)超快速恢復二極管協(xié)同封裝來(lái)加快關(guān)斷速度。此外，工藝技術(shù)及器件結構的精細改進(jìn)也使IGBT的開(kāi)關(guān)性能得到相當的改善。其他優(yōu)點(diǎn)還包括更好的通態(tài)性能，以及擁有高度耐用性和寬安全工作區。在考慮這些質(zhì)量之后，這種功率逆變器設計就會(huì )選用高電壓IGBT，作為功率開(kāi)關(guān)的必然之選。

因為這個(gè)設計所實(shí)施的逆變器拓撲屬于全橋，所以有關(guān)的太陽(yáng)能逆變器采用了4個(gè)高電壓IGBT，如圖1所示。在這個(gè)電路中，Q1和Q2晶體管被指定為高側IGBT，而Q3和Q4則為低側功率器件。為了要保持總功率耗損處于低水平，但功率轉換則擁有高效率，設計師要在這個(gè)DC/AC逆變器解決方案正確應用低側和高側IGBT組合。

圖1 采用4個(gè)IGBT的逆變器設計

溝道和平面IGBT
為了要同時(shí)把諧波和功率損耗降到最低，逆變器的高側IGBT利用了脈寬調制(PWM)，同時(shí)低側功率器件就用60Hz進(jìn)行變化。通過(guò)把PWM頻率定在20kHz或以上操作，高側IGBT有50/60Hz調制，輸出電感器L1和L2便可以保持實(shí)際可行的較少尺寸，提供有效的諧波濾波。再者，逆變器的可聽(tīng)聲也可以降到最低，因為開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)高于人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)范圍。

我們研究過(guò)采用不同IGBT組合的各種開(kāi)關(guān)技術(shù)后，認定能夠實(shí)現最低功率耗損和最高逆變器性能的最好組合，是高側晶體管利用超高速溝道IGBT，而低側部分就采用標準速度的平面器件。與快速和標準速度平面器件比較，開(kāi)關(guān)頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態(tài)和開(kāi)關(guān)功率損耗組合。高側晶體管的開(kāi)關(guān)頻率為20kHz的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是輸出電感器有合理的小尺寸，同時(shí)也容易進(jìn)行濾波。在低側方面，我們把標準速度平面IGBT的開(kāi)關(guān)頻率定在60Hz，使功率損耗可以保持在最低的水平。

圖2 全橋功率逆變器電路

當我們細看高電壓(600V)超高速溝道IGBT的開(kāi)關(guān)性能，便會(huì )知道這些器件為20kHz的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化。這使設計在相關(guān)的頻率下能夠保持最少的開(kāi)關(guān)損耗，包括集電極到發(fā)射極的飽和電壓Vce(on)及總開(kāi)關(guān)能量ETS。結果，總通態(tài)和開(kāi)關(guān)功率損耗便可以維持在最低的水平。根據這一點(diǎn)，我們選擇了超高速溝道IGBT，例如，IRGB4062DPBF作為高側功率器件。這種超高速構道IGBT與一個(gè)超高速軟恢復二極管采用協(xié)同封裝，進(jìn)一步確保低開(kāi)關(guān)耗損。

此外，這些IGBT不用要求短路額定值，因為當逆變器的輸出出現短路時(shí)，輸出電感器L1和L2會(huì )限制電流di/dt，從而給予控制器足夠的時(shí)間做出適當的回應。還有，與同樣尺寸的非短路額定IGBT比較，短路額定IGBT提供更高的Vce(on)和ETS。由于擁有更高的Vce(on)和ETS，短路額定IGBT會(huì )帶來(lái)更高的功率損耗，使功率逆變器的效率降低。

再者，超高速溝道IGBT也提供方形反向偏壓工作區、最高175℃結溫，還可承受4倍的額定電流。為了要顯示它們的耐用性，這些功率器件也經(jīng)過(guò)100%鉗位電感負載測試。

與高側不同，通態(tài)耗損支配了低側IGBT。因為低側晶體管的工作頻率只有60Hz，開(kāi)關(guān)損耗對這些器件來(lái)說(shuō)微不足道。標準速度平面IGBT是特別為低頻率和較低通態(tài)耗損而設計。所以，隨著(zhù)低側器件于60Hz進(jìn)行開(kāi)關(guān)，這些IGBT要通過(guò)采用標準速度平面IGBT來(lái)達到的最低功率耗損水平。因為這些器件的開(kāi)關(guān)損耗非常少，標準速度平面IGBT的總耗散并沒(méi)有受到其開(kāi)關(guān)耗損所影響?；谶@些考慮，標準速度IGBT IRG4BC20SD因此成為低功率器件的最好選擇。一個(gè)第四代IGBT與超高速軟恢復反向并聯(lián)二極管協(xié)同封裝，并且為最低飽和電壓和低工作頻率(1kHz)進(jìn)行優(yōu)化。在10A下的典型Vce(on)為1.4V。針對低正向降壓及反向漏電流，跨越低側IGBT的協(xié)同封裝二極管已經(jīng)優(yōu)化了，以在續流和反向恢復期間把損耗降到最低。

逆變器效率
圖2展示了系統層面的全橋功率逆變器電路。就如圖中所示，H橋的每一支管腳由高電流、高速柵極驅動(dòng)器IC，以及獨立低和高側參考輸出通道所驅動(dòng)。驅動(dòng)器IRS2106SPBF的浮動(dòng)通道容許自舉電源為高側功率電器件工作。因此，它免除了高側驅動(dòng)對隔離式電源的需求。這有助整體系統去改善逆變器的效率和減少零件數目。當電流續流到低側IGBT協(xié)同封裝二極管，這些驅動(dòng)器的自舉電容器會(huì )在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期(50μs)更新。