一種用于高效率太陽能逆變器的新型緊湊型功率模塊系列

在大多數情況下，DC-AC逆變器的拓樸是基于一個由太陽能電池直接饋電的全橋電路拓樸，如圖１所示。

圖１ 具有全橋電路的太陽能逆變器

然而，當太陽能電池的電壓較低或變化較大時，在太陽能電池板后插入一個升壓變換器，就能給全橋電路提供一個恒定的DC電壓，如圖2所示。

圖2 具有升壓斬波器和全橋電路的太陽能逆變器

全橋電路也可以簡化成一個相臂與一個電容分壓器的組合。但是，與全橋電路相比較，在同樣的輸出功率下，這個相臂必須承受2倍的電流。因為功率模塊具有非常對稱的設計，所以只要將橋式電路的2個相臂并聯(lián)就能很容易地形成一個具有2倍電流容量的相臂。

在本文中，只考慮全橋電路拓樸。系統(tǒng)的尺寸p性能p可靠性和成本都很重要，但逆變器的效率是最關鍵的參數。使太陽能逆變器獲得可能的最高效率，不僅是節(jié)約寶貴能量所需要的基本要求，而且對于降低電力生產的成本也是至關重要的。為了達到這個目標，全橋電路需要采用單極開關DC－AC逆變器拓樸。為了使輸出濾波器最小化，全橋的下臂開關工作在高頻率，而上臂開關則工作在輸電線頻率。采用這種工作模式，逆變器既具有高頻率運行的優(yōu)點，而全橋電路中又只有2個開關存在開關損耗，另外2個開關只有傳導損耗 的可忽略不計。

將這些功率器件集成在采用了最先進技術的扁平緊湊型封裝內，為最高輸出功率達10 kW的高功率密度和高可靠性的逆變器提供解決方案。

2.用于全橋電路解決方案的功率模塊系列

2個功率模塊系列專門為2個主AC電網提供600V和1200V的模塊，并能滿足太陽能電池的寬范圍電壓。為了能以一個具有競爭力的價格，為工作頻率在15 kHz~ 50 kHz的范圍提供最小型緊湊的解決方案，優(yōu)先采用IGBT技術。在高頻率工作的下臂開關采用快速的NPT IGBT器件。而在輸電線頻率工作的上臂開關則采用具有最低飽和電壓降的溝槽（Trench ）和場終止（ Field stop） IGBT器件。實現全橋電路中下臂器件和上臂的低導通損耗器件的快速轉換是可能的，不過通常反相是通過給快速器件提供驅動，并避免置于全橋下臂時的浮動位來完成的。

同時，為了提高逆變器的效率，這類新型模塊中的二極管是與功率晶體管相匹配的。高速p軟恢復的Microsemi DQ系列二極管能與上臂的IGBT并聯(lián)，與下臂的快速的IGBT組合，降低恢復損耗。具有低正向電壓降的二極管在輸出零交叉時，能夠保護下臂的IGBT。這些最新二極管的應力要遠遠小于其它的二極管，已用于高頻的反向恢復，由此可以降低電流額定值，有利于減小尺寸和降低成本。建議在節(jié)省空間的緊湊型SP1和SP3封裝中采用600Vp30A ~100A和1200Vp15A ~50A 的二極管，如表1所示。

目前已能夠提供采用CoolmosTM 器件的600V產品，該產品可以工作在更高的開關頻率，并使開關損耗和導通損耗最小化。

表1：采用SP1和SP3 封裝的全橋模塊列表

3.用于完整的升壓和全橋的逆變器電路

3.1 用于升壓和全橋電路逆變器的單個模塊

當太陽能電池的電壓變化很大時，用一個升壓變換器給全橋電路提供一個被調整了的DC 電壓(400V~800V)是非常有道理的。為了使整個逆變器解決方案能給出一個最強的適應性，優(yōu)先選擇由2個模塊組成的套件，其中一個模塊用作升壓開關，另一個模塊則用作全橋開關。
因為一個完整的逆變器要使用一個升壓電路級和全橋電路，所以可能會有２個單獨的封裝，首先優(yōu)化每一個封裝的尺寸和性能當然是非常重要的，但是這些優(yōu)化也必須適合于２個模塊的裝配。
為了達到這個目的，優(yōu)先選擇用SOT227封裝的3KVA模塊作為升壓開關和用SP1封裝模塊作為全橋的組合，如圖３所示。
SOT 227的底座是25.4mm x 38.1mm，而SP1封裝的底座是40.8mm x 51.6mm。２種封裝的高度都是12mm，因此它們可以并排地安裝在同一個散熱器上，并與同一個印制電路板進行聯(lián)線。SOT227提供螺絲接口端子，而SP1則通過焊接管腳引線來進行聯(lián)結。

圖3a 采用SOT227封裝的升壓級 (P3KW)

Fig.3b 采用SP1封裝的全橋電路 (P>3KW)

當輸出功率大于3KVA時，選擇SP1封裝的模塊用作升壓開關和SP3封裝模塊用作全橋開關的組合，是最好的解決方案，如圖4所示。

圖4a采用SP1封裝的升壓級 (P>3KW)

圖4b采用SP3封裝的全橋電路 (P>3KW)

當達到最高輸出功率時，可能輸入升壓級和輸出全橋模塊都需要采用SP3封裝。

與SP1封裝的40.8mm x 51.6mm底座相結合，SP3占據的面積是40.8mm x 73.4mm。SP1模塊和SP3模塊的高度都是12mm，而且可以用波峰焊聯(lián)結在同一個印制電路板上。

為了使磁性元件尤其是升壓電感最小化，升壓變換器必須在高頻率下工作，其典型值是100 kHz。對于600V的應用，CoolmosTM器件能夠在高頻率下給出最好的性能。目前已能夠提供采用SOT227封裝的45 mΩ模塊和采用SP1封裝的24 mΩ模塊產品。所有這些產品中的匹配二極管都是最新的DQ軟快恢復二極管。對于高電壓的應用，如果升壓級工作在高頻率，那么MOSFET是最好的選擇。因為隨著MOSFET電壓的增加，器件的導通電阻Ron顯著增大，所以當輸出功率增加時，就需要一個芯片面積大的MOSFET器件。目前已能夠提供的升壓斬波器產品是采用SP1封裝的180mΩ和300mΩ模塊，其擊穿電壓分別是1000V和1200V。為了使升壓功能的成本最小化，在頻率能夠降低到25 kHz的情況下，可以用一個快速IGBT來代替MOSFET器件。采用SP1封裝的1200Vp50A~100A快速 IGBT升壓級可以達到該目的。

表2給出一個升壓級模塊的總結。

表2a. MOSFET 和CoolmosTM 升壓級模塊

表2b. IGBT升壓級模塊

這些升壓級模塊能與采用SP1和SP3封裝的全橋模塊組合，有關的全橋模塊在前面的全橋模塊章節(jié)中已進行過描述。
器件的電壓p電流額定值和工藝技術應該按照逆變器的輸出功率和選用的開關頻率來進行選擇。

3.2 用于升壓和全橋電路逆變器的集成模塊

將升壓級與全橋電路組合在同一個封裝中，可以使逆變器的尺寸進一步縮小。能夠提供電壓為600V和1200V的2種產品。對應每個電壓額定值，2個功率最小的器件是采用底座為40.4mm x 93mm 的SP4封裝的模塊（見圖5）。而2個功率最大的器件則集成在扁平的SP6-P 封裝中(底座是62mm x 108mm見– 圖6)。600V產品中的升壓級采用CoolmosTM晶體管制作，而1200V產品則為了節(jié)省空間和成本，采用快速IGBT制作。表3 總結了現有的升壓和全橋電路集成模塊。

表3: 集成升壓和全橋電路的太陽能模塊

圖5 SP4 封裝的三維圖像

圖6 SP6-P封裝的三維圖像

4.性能比較

對各種各樣的技術組合進行了比較，并研究了效率隨著輸出功率變化的函數關系。為了更好地測定不同快速開關的開關損耗所造成的影響，還研究了不同工作頻率下的性能。

為了對不同的解決方案進行合理的比較，給出的是對應歸一化輸出功率P/Pnom的效率。

為了避免任何能聽得見的音頻噪聲，并使磁性元件最小化，通?？焖匍_關運行在20 kHz的工作頻率。

圖7給出對應歸一化輸出功率P/Pnom的效率函數關系

-全橋的4個開關都只采用溝槽（Trench）和場終止（ Field stop）IGBT，

-只采用快速 NPT IGBT，

-下臂采用快速NPT IGBT，上臂采用低導通損耗的IGBT器件溝槽（Trench ）和場終止（ Field stop）IGBT的優(yōu)化組合。

圖7 20 kHz下，Trench和Field stop, NPT 和混合Trench/NPT 的效率曲線

溝槽（Trench ）和場終止（ Field stop）IGBT是設計用來工作頻率可高達20 kHz的器件。低的飽和電壓VCEsat與合理的開關時間相結合，可以使效率達到96%至97%之間。盡管快速NPT IGBT器件的導通損耗較高，但由于開關損耗的降低，其效率仍然能夠被進一步改善。將低開關損耗的快速IGBT和低導通損耗的溝槽（Trench ）和場終止（ Field stop）IGBT進行組合，工作性能比以前的組合要好大約1%，在一個很寬的輸入功率范圍內，總體的效率超過98%。

為了進一步提高效率，可以將工作頻率降低到16 kHz，要指出的是工作頻率的降低受到音頻噪聲的限制，而且不能影響到磁性元件的尺寸(見圖8)。

圖8 16 kHz下，Trench和Field stop, NPT 和混合Trench/NPT 的效率曲線

對于溝槽（Trench ）和場終止（ Field stop）IGBT，頻率從20 kHz降低至16 kHz 可以獲得大于97%的效率，非常接近快速NPT IGBT的效率98%，而混合IGBT技術的效率高于98%。

在一些情況下，為了進一步縮小磁性元件尤其是輸出濾波器的尺寸，就需要將工作頻率提高到50 kHz的范圍。

600 V快速NPT IGBT的關斷損耗很低，完全有能力在高達100 kHz的頻率下運行，因此在50 kHz的范圍內，一定能夠獲得可接受的效率。MOSFET器件具有更快速的開關時間，開關損耗比最快速的NPT器件都低。所以只要MOSFET器件具有低的導通損耗，它們的總損耗自然也就低了。600V CoolMOSTM 晶體管的導通電阻RDson非常小，因而使導通損耗最小化，而且具有快速的開關時間。

圖9 50 kHz下，快速NPT/Trench IGBT和 CoolMOSTM / Trench開關組合的效率曲線

快速NPT和溝槽（Trench）IGBT的組合使得50 kHz時的效率仍然高于97%。CoolMOSTM晶體管與溝槽（Trench）IGBT的組合比前一種組合的效率更高。

如果沒有必要為了縮小逆變器的尺寸而運行在高頻率時，可以工作在16 kHz的頻率下，采用CoolMOSTM器件和溝槽（Trench）IGBT的組合，能獲得最高的效率。盡管溝槽（Trench）IGBT和場終止（ Field stop）IGBT運行在低的50Hz電力線頻率，建議使用FREDFET器件或帶有較快本征二極管的CoolMOSTM晶體管，使系統(tǒng)的EMI干擾最小化。

太陽能逆變器的另一個重要特性是使用壽命和可靠性。逆變器產生的EMI/RFI也是至關重要的。

SiC二極管的重要特性是其正向電壓降為零和反向恢復損耗為零，因而與標準的快速硅二極管相比，在降低開關噪聲和提高性能方面具有顯著的優(yōu)越性。

在硬開關條件下，二極管的反向恢復電流對功率開關內部的開通能量影響很大。這樣，隨著開關頻率的增加，在功率開關和二極管中都會產生相當數量的開通損耗。必須要指出的是，在反向恢復期結束時，可能出現某些振蕩，導致在系統(tǒng)中產生大量的噪聲，即使使用昂貴和龐大的輸入濾波器，這些噪聲也是很難消除的。

較快的恢復特性能夠使功率開關和二極管中的開關損耗都降低很多。SiC二極管關斷時所觀察到的小峰值電流是由于Schottky勢壘器件的結電容而產生的，并不是反向恢復特性。與使用通常FRED二極管的配置不同，沒有測量到瞬時擾動或振蕩。這樣無噪聲的開關運行，是縮小輸入濾波器尺寸和簡化它的關鍵所在，并對滿足嚴格的EMI/RFI規(guī)定起著重大的作用。

SiC器件不僅在室溫具有極好的恢復特性，而且能在一個很寬的溫度范圍內保持不變。如圖10 所示的是一個10A/600V Cree SiC二極管與一個具有同樣電流和電壓額定值的硅二極管的反向恢復特性的比較。

圖10 不同結溫下SiC二極管和Si 二極管的反向恢復特性

因此使用SiC二極管能夠明顯地降低一個太陽能逆變器的整體損耗，使之能達到創(chuàng)紀錄的效率。因為較低的損耗也就是意味著較低的工作結溫，所以這將會明顯地延長逆變器的工作壽命，這對于太陽能應用是至關重要的。

基于這一點，采用一個優(yōu)化的功率器件混合技術，可以得到最有效率的性能；低導通損耗的IGBT工作在50Hz, 快速開關器件工作在高頻，而SiC二極管與快速晶體管組合。

將開關頻率選定為最低的16 kHz會獲得可能的最高效率，如圖13所示。

圖13 16 kHz下，快速NPT/Trench IGBT和 CoolMOSTM / Trench開關與SiC二極管組合的效率曲線

在本文中，對散熱器溫度為75°C時的不同的配置組合進行了比較。當逆變器工作在最高環(huán)境溫度時，其效率能降低1%之多。與通常的硅器件相比較，具有卓越溫度特性的SiC二極管能增加在這些極端條件下的效率差距。使用氮化鋁能夠進一步改善熱特性。

標準模塊使用了熱傳導性比現有的鋁襯底更好的襯底。因為功率器件具有更好的結至外殼的熱阻，所以使工作結溫降低。對于硅器件而言，較高的結溫意味著較高的導通損耗和開關損耗，而對于SiC器件而言，僅僅導致較高的導通損耗。因此，使用氮化鋁（AlN）襯底能進一步增加太陽能逆變器的效率，并延長其工作壽命。

“COOLMOS™ 是由Infineon Technologies AG開發(fā)的一個新的晶體管系列，“COOLMOS”是Infineon Technologies AG”的注冊商標。

5.結論

本文闡述了為了使現代的太陽能逆變器能達到高效率的目標，在一個先進的全橋配置中組合低導通損耗和快速的功率器件技術是關鍵。

Microsemi 功率產品部能提供各種各樣的專用功率模塊，這些模塊采用在本文中描述的所有各種功率器件技術來集成電路拓樸。所有列出的產品都能提供使用FRED二極管的模塊，也能提供為改善性能而使用SiC二極管的模塊。這些產品的特點是具有一個能與散熱器進行極好熱傳導的基板，因此進一步提高了太陽能逆變器先進工藝技術的性能p質量和可靠性水平。

在不久的將來即可提供SiC開關器件，MOSFET或IGBT，因而能獲得好于99%的效率，達到技術上所能實現的最大值。