采用IGBT作為功率開關(guān)的500W太陽能逆變器設(shè)計(jì)

　在全球的綠色能源發(fā)展趨勢下，越來越多的家用電器、照明設(shè)備、電動工具、不間斷電源系統(tǒng)(UPS)以及其它工業(yè)設(shè)備開始采用太陽能供電，將太陽能量轉(zhuǎn)換為所需的交流(AC)或直流(DC)電壓。

　　為高效率地產(chǎn)生這些設(shè)備所需的電壓和電流，電源逆變器需要正確地組合控制器、驅(qū)動器和輸出功率器件。本文討論的這款直流到交流逆變器設(shè)計(jì)，專門針對500W功率、120V和60Hz頻率的單相正弦波輸出進(jìn)行了優(yōu)化。這個設(shè)計(jì)的200V直流輸入可以由與太陽能陣列電池板相連的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。

　　針對這類應(yīng)用有各種先進(jìn)的功率器件可以使用，比如MOSFET、雙極結(jié)晶體管(BJT)和IGBT。然而，為取得最佳的轉(zhuǎn)換效率和性能，為這種太陽能逆變器選擇正確的功率晶體管極具挑戰(zhàn)性，而且非常耗時。

　　多年來的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的優(yōu)勢，其中包括更強(qiáng)的電流處理能力、用電壓(而不是電流)方便地實(shí)現(xiàn)柵極控制，以及在封裝內(nèi)集成超快速恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)更快的關(guān)斷時間。

　　IGBT是一種少數(shù)載流子器件，它的關(guān)斷時間取決于少數(shù)載流子重新組合的速度，因此，隨著最近工藝技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，它的開關(guān)特性已得到顯著增強(qiáng)。另外，IGBT具有超高導(dǎo)通性能和較寬的安全工作區(qū)(SOA)，工作非常穩(wěn)定。基于這些基本優(yōu)勢，本文介紹的這個電源逆變器選用IGBT作為功率開關(guān)。

　　由于電源逆變器一般采用全橋拓?fù)?，因此這個太陽能逆變器設(shè)計(jì)采用了4個高壓IGBT(圖1)。晶體管Q1和Q2用作高壓端IGBT，Q3和Q4用作低壓端功率器件。為保持低的總功率損耗低和高的電源轉(zhuǎn)換效率，這個DC/DC逆變器解決方案利用低壓端和高壓端IGBT產(chǎn)生頻率為60Hz的單相交流純正弦波形。本文作者編寫的另外一篇文章還介紹了如何為這種太陽能逆變器應(yīng)用正確選用高壓IGBT。

　　開關(guān)型IGBT

　　實(shí)質(zhì)上，為保持諧波分量低和功率損耗最小，逆變器的高壓端IGBT采用脈寬調(diào)制(PWM)，低壓端IGBT則以60Hz頻率變換電流方向。通過讓高壓端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM頻率和50/60Hz調(diào)制方案，輸出電感L1和L2在實(shí)例中可以做得很小，并且照樣能對諧波分量進(jìn)行高效濾波。此外，來自逆變器的可聞噪聲也很小，因?yàn)殚_關(guān)頻率高于人耳聽覺頻率。

　　比較各種開關(guān)技術(shù)和IGBT的發(fā)現(xiàn)，獲得最低功率損耗和最高逆變器性能的最佳組合是高壓端晶體管使用超快速溝道型IGBT，低壓端晶體管使用標(biāo)準(zhǔn)速度的平面工藝IGBT(圖2)。

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