IGBT光伏發(fā)電逆變電路

國內外大多數光伏發(fā)電系統是采用功率場(chǎng)效應管MOSFET構成的逆變電路。然而隨著(zhù)電壓的升高，MOSFET的通態(tài)電阻也會(huì )隨著(zhù)增大，在一些高壓大容量的系統中，MOSFET會(huì )因其通態(tài)電阻過(guò)大而導致增加開(kāi)關(guān)損耗的缺點(diǎn)。相比之下，絕緣柵雙極晶體管IGBT通態(tài)電流大，正反向組態(tài)電壓比較高，通過(guò)電壓來(lái)控制導通或關(guān)斷，這些特點(diǎn)使IGBT在中、高壓容量的系統中更具優(yōu)勢，因此采用IGBT構成太陽(yáng)能光伏發(fā)電關(guān)鍵電路的開(kāi)關(guān)器件，有助于減少整個(gè)系統不必要的損耗，使其達到最佳工作狀態(tài)。

1 原理
1．1 系統結構
太陽(yáng)能光伏發(fā)電的實(shí)質(zhì)就是在太陽(yáng)光的照射下，太陽(yáng)能電池陣列(即PV組件方陣)將太陽(yáng)能轉換成電能，輸出的直流電經(jīng)由逆變器后轉變成用戶(hù)可以使用的交流電。原理圖如圖1所示。

逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中的關(guān)鍵部件，因為它是將直流電轉化為用戶(hù)可以使用的交流電的必要過(guò)程，是太陽(yáng)能和用戶(hù)之間相聯(lián)系的必經(jīng)之路。因此要研究太陽(yáng)能光伏發(fā)電的過(guò)程，就需要重點(diǎn)研究逆變電路這一部分。如圖2(a)所示，是采用功率場(chǎng)效應管MOSFET構成的比較簡(jiǎn)單的推挽式逆變電路，其變壓器的中性抽頭接于電源正極，MOSFET的一端接于電源負極，功率場(chǎng)效應管Q1，Q2交替的工作最后輸出交流電力，但該電路的缺點(diǎn)是帶感性負載的能力差，而且變壓器的效率也較低，因此應用起來(lái)有一些條件限制。采用絕緣柵雙極晶體管IGBT構成的全橋逆變電路如圖2(b)所示。其中Q1和Q2之間的相位相差180°，其輸出交流電壓的值隨Q1和Q2的輸出變化而變化。Q3和Q4同時(shí)導通構成續流回路，所以輸出電壓的波形不會(huì )受感性負載的影響，所以克服了由MOSFET構成的推挽式逆變電路的缺點(diǎn)，因此采用IGBT構成的全橋式逆變電路的應用較為廣泛一些。

1．2 IGBT的原理
絕緣柵雙極晶體管IGBT是相當于在MOSFET的漏極下增加了P+區，相比MOSFET來(lái)說(shuō)多了一個(gè)PN結，當IGBT的集電極與發(fā)射極之間加上負電
壓時(shí)，此PN結處于反向偏置狀態(tài)，其集電極與發(fā)射極之間沒(méi)有電流通過(guò)，因此IGBT要比MOSFET具有更高的耐壓性。也是由于P+區的存在，使得IGBT在導通時(shí)是低阻狀態(tài)，所以相對MOSFET來(lái)說(shuō)，IGBT的電流容量要更大一些。表1所示為MOSFET和IGBT的性能對比，其中MOSFET的門(mén)柵極驅動(dòng)損耗是比較低的，但相比于IGBT來(lái)說(shuō)，IGBT的門(mén)柵極驅動(dòng)損耗更低一些。

2 電路設計
逆變電路中的前級DC-DC變換器部分采用PIC16F873單片機為控制核心，后級DC-AC部分采用高性能DSP芯片TMS320F240為控制核心的全橋逆變電路。為了提升太陽(yáng)能光伏發(fā)電逆變器的效率，可以通過(guò)降低逆變器損耗的方式來(lái)完成，其中驅動(dòng)損耗和開(kāi)關(guān)損耗是重點(diǎn)解決對象。降低驅動(dòng)損耗的關(guān)鍵取決于功率開(kāi)關(guān)管IGBT的柵極特性，降低開(kāi)關(guān)損耗的關(guān)鍵取決于功率開(kāi)關(guān)管IGBT的控制方式，因此針對驅動(dòng)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的特性提出以下解決方案。

2．1 驅動(dòng)電路
驅動(dòng)電路是將主控制電路輸出的信號轉變?yōu)榉夏孀冸娐匪枰尿寗?dòng)信號，也就是說(shuō)它是連接主控制器與逆變器之間的橋梁，因此驅動(dòng)電路性能的設計是至關(guān)重要的。采用EXB841集成電路構成IGBT的柵極驅動(dòng)電路如圖3所示，EXB841的響應速度快，可以通過(guò)控制其柵極的電阻來(lái)降低驅動(dòng)損耗，提高其工作效率。EXB841內部有過(guò)電流保護電路，減少了外部電路的設計，使電路設計更加簡(jiǎn)單方便。比較典型的EXB 841的應用電路，一般是在IGBT的柵極上串聯(lián)一個(gè)電阻Rg，這樣是為了可以減小控制脈沖前后的震蕩，而選取適當Rg的阻值則對IGBT的驅動(dòng)有著(zhù)相當重要的影響。此次電路在EXB841典型應用電路的基礎上，優(yōu)化IGBT柵極上串聯(lián)的電阻，使其在IGBT導通與關(guān)斷時(shí)，其電阻隨著(zhù)需要而有所變化。