優(yōu)化高電壓IGBT造就高效率太陽能逆變器

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

要為這些應(yīng)用以高效率生產(chǎn)所需的交流輸出電壓和電流，太陽能逆變器就需要控制、驅(qū)動器和輸出功率器件的正確組合。要達到這個目標(biāo)，在這里展示了一個針對500W功率輸出進行優(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(shè)計。在這個設(shè)計中，有一個DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器連接到光伏電池板，為這個功率轉(zhuǎn)換器提供200V直流輸入。不過在這里沒有提供太陽能電池板的詳細資料，因為那方面不是我們討論的重點。

現(xiàn)在，市場上有不同的高級功率開關(guān)，例如金屬氧化物半導(dǎo)體FET(MOSFET)，雙極型三極管(BJT)，以及絕綠柵雙極晶體管(IGBT)來轉(zhuǎn)換功率。然而，這個應(yīng)用要達到最高的轉(zhuǎn)換效率和性能要求，就要選擇正確的功率晶體管。

多年來的調(diào)查和分析顯示，IGBT比其他功率晶體管有更多優(yōu)點，當(dāng)中包括更高電流能力，利用電壓而非電流來進行柵極控制，以及能夠與一個超快速恢復(fù)二極管協(xié)同封裝來加快關(guān)斷速度。此外，工藝技術(shù)及器件結(jié)構(gòu)的精細改進也使IGBT的開關(guān)性能得到相當(dāng)?shù)母纳啤Ｆ渌麅?yōu)點還包括更好的通態(tài)性能，以及擁有高度耐用性和寬安全工作區(qū)。在考慮這些質(zhì)量之后，這種功率逆變器設(shè)計就會選用高電壓IGBT，作為功率開關(guān)的必然之選。

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

圖1 采用4個IGBT的逆變器設(shè)計

溝道和平面IGBT
為了要同時把諧波和功率損耗降到最低，逆變器的高側(cè)IGBT利用了脈寬調(diào)制(PWM)，同時低側(cè)功率器件就用60Hz進行變化。通過把PWM頻率定在20kHz或以上操作，高側(cè)IGBT有50/60Hz調(diào)制，輸出電感器L1和L2便可以保持實際可行的較少尺寸，提供有效的諧波濾波。再者，逆變器的可聽聲也可以降到最低，因為開關(guān)頻率已經(jīng)高于人類的聽覺范圍。

我們研究過采用不同IGBT組合的各種開關(guān)技術(shù)后，認定能夠?qū)崿F(xiàn)最低功率耗損和最高逆變器性能的最好組合，是高側(cè)晶體管利用超高速溝道IGBT，而低側(cè)部分就采用標(biāo)準速度的平面器件。與快速和標(biāo)準速度平面器件比較，開關(guān)頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態(tài)和開關(guān)功率損耗組合。高側(cè)晶體管的開關(guān)頻率為20kHz的另外一個優(yōu)點，是輸出電感器有合理的小尺寸，同時也容易進行濾波。在低側(cè)方面，我們把標(biāo)準速度平面IGBT的開關(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(dāng)我們細看高電壓(600V)超高速溝道IGBT的開關(guān)性能，便會知道這些器件為20kHz的開關(guān)頻率進行了優(yōu)化。這使設(shè)計在相關(guān)的頻率下能夠保持最少的開關(guān)損耗，包括集電極到發(fā)射極的飽和電壓Vce(on)及總開關(guān)能量ETS。結(jié)果，總通態(tài)和開關(guān)功率損耗便可以維持在最低的水平。根據(jù)這一點，我們選擇了超高速溝道IGBT，例如，IRGB4062DPBF作為高側(cè)功率器件。這種超高速構(gòu)道IGBT與一個超高速軟恢復(fù)二極管采用協(xié)同封裝，進一步確保低開關(guān)耗損。

此外，這些IGBT不用要求短路額定值，因為當(dāng)逆變器的輸出出現(xiàn)短路時，輸出電感器L1和L2會限制電流di/dt，從而給予控制器足夠的時間做出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)。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會帶來更高的功率損耗，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(qū)、最高175℃結(jié)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100%鉗位電感負載測試。

與高側(cè)不同，通態(tài)耗損支配了低側(cè)IGBT。因為低側(cè)晶體管的工作頻率只有60Hz，開關(guān)損耗對這些器件來說微不足道。標(biāo)準速度平面IGBT是特別為低頻率和較低通態(tài)耗損而設(shè)計。所以，隨著低側(cè)器件于60Hz進行開關(guān)，這些IGBT要通過采用標(biāo)準速度平面IGBT來達到的最低功率耗損水平。因為這些器件的開關(guān)損耗非常少，標(biāo)準速度平面IGBT的總耗散并沒有受到其開關(guān)耗損所影響?；谶@些考慮，標(biāo)準速度IGBT IRG4BC20SD因此成為低功率器件的最好選擇。一個第四代IGBT與超高速軟恢復(fù)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(cè)IGBT的協(xié)同封裝二極管已經(jīng)優(yōu)化了，以在續(xù)流和反向恢復(fù)期間把損耗降到最低。

逆變器效率
圖2展示了系統(tǒng)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(qū)動器IC，以及獨立低和高側(cè)參考輸出通道所驅(qū)動。驅(qū)動器IRS2106SPBF的浮動通道容許自舉電源為高側(cè)功率電器件工作。因此，它免除了高側(cè)驅(qū)動對隔離式電源的需求。這有助整體系統(tǒng)去改善逆變器的效率和減少零件數(shù)目。當(dāng)電流續(xù)流到低側(cè)IGBT協(xié)同封裝二極管，這些驅(qū)動器的自舉電容器會在每個開關(guān)周期(50μs)更新。