優(yōu)化高電壓IGBT造就高效率太陽(yáng)能逆變器

　　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。

　　圖2 全橋功率逆變器電路

　　由于高側Q1和Q2協(xié)同封裝二極管并不受續流電流影響，同時(shí)低側Q3及Q4擁有主要的通態(tài)耗損和非常少的開(kāi)關(guān)耗損，整體系統損耗獲得最小化，而系統效率就得到最大化。此外，因為在任何時(shí)間，開(kāi)關(guān)都在對角器件配對Q1和Q4，或者Q2和Q3上進(jìn)行，所以排除了直通的可能性。同時(shí)，每個(gè)輸出驅動(dòng)器IC具備高脈沖電流緩沖級以最小化驅動(dòng)器的直通。這個(gè)逆變器的另一個(gè)突出功能，是它以單一直流母線(xiàn)供電運作。因此，排除了負直流母線(xiàn)的需求。簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，針對整體逆變器，以上這些安排全部都可以轉化為更高的效率和更少的零件數目。更少的零件也表示設計可以占更少的空間，以及擁有更簡(jiǎn)短的物料清單。

　　在這個(gè)逆變器設計中，+20V電源首先用來(lái)推動(dòng)微型處理器，并且管理不同的電路。有關(guān)代碼的實(shí)現，這個(gè)逆變器解決方案中采用的8位微型控制器PIC18F1320會(huì )為IGBT驅動(dòng)器產(chǎn)生信號，由此最終提供用來(lái)驅動(dòng)IGBT的信號。以專(zhuān)用先進(jìn)高電壓IC工藝過(guò)程 (G5 HVIC)以及鎖存免疫CMOS技術(shù)的柵極驅動(dòng)器集成高電壓轉換和終端技術(shù)，使驅動(dòng)器能夠從微型控制器的低電壓輸入產(chǎn)生適當的柵極驅動(dòng)信號。有關(guān)的邏輯輸入與標準CMOS或LSTTL輸出相容，邏輯電壓可低至3.3V。

　　超高速二極管D1和D2提供路徑來(lái)把電容器C2及C3充電，并且確保高側驅動(dòng)器獲得正確的動(dòng)力。圖3描繪出相關(guān)的輸出波形。如圖所示，在正輸出半周期內，高側IGBT Q1經(jīng)過(guò)正弦PWM調制，但低側Q4就保持開(kāi)通狀況。同樣地，在負輸出半周期內，高側Q2經(jīng)過(guò)正弦PWM調制，而低側Q3則保持開(kāi)通狀況。這種開(kāi)關(guān)技術(shù)在輸出LC濾波器之后，于電容器C4的兩端提供60Hz交流正弦波。

　　圖3 電容器充電波形

　　逆變器是為500W的輸出而設計，測量所得的交流輸出功率是480.1W，功率損耗則是14.4W。在60Hz的頻率下，交流輸出電壓有117.8V，輸出電流是4.074A。這個(gè)配置獲得97.09%的效率。利用相似的配置，將逆變器改為針對200W輸出，然后再重新測量轉換效率。結果顯示，在這個(gè)負載下，交流功率為214W，功率耗損有6.0W，而在1.721A的輸出電流下，60Hz輸出電壓為124.6V。在這個(gè)功率額定值下，所得的轉換效率為97.28%。即使在較低一端的輸出功率(100W)，我們也看到相似的效率性能。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通過(guò)把適當的高電壓驅動(dòng)器與優(yōu)化了的低側和高側高電壓IGBT結合，我們在這里提到的太陽(yáng)能逆變器設計，能夠在100～500W的功率輸出范圍內持續提供高轉換效率性能。由于轉換效率非常高，所以有關(guān)的低功率損耗并不會(huì )帶來(lái)任何溫度管理挑戰。因此，在最高500W的輸出功率下，高側IGBT (IRGB4062DPBF) 的結溫大約80℃，比最高的特定結溫175℃要低于一半。同樣地，在一樣的功率水平下，低側IGBT (IRG4BC20SD-PBF)顯示83℃的結溫。同時(shí)，當輸出功率達到200W左右，溫度還會(huì )變得更低。