太陽(yáng)能逆變器中IGBT和MOSFET技術(shù)解析

　　發(fā)展逆變器技術(shù)是太陽(yáng)能應(yīng)用提出的要求，本文介紹了太陽(yáng)能逆變器的原理及架構(gòu)，著重介紹了IGBT和MOSFET技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能控制是發(fā)展太陽(yáng)能逆變器技術(shù)的關(guān)鍵。

　　一、太陽(yáng)能對(duì)逆變器的要求

　　通過(guò)太陽(yáng)能光伏技術(shù)將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成電能是現(xiàn)在市面上最有效也是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醇夹g(shù)?，F(xiàn)在，普通太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)都是由許多緊密相連的太陽(yáng)能電池板組成。這些電池板先分組串聯(lián)，再將不同的串聯(lián)電池組并聯(lián)起來(lái)形成電池陣列。

　　目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽(yáng)電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國(guó)西北地區(qū)使用較多的太陽(yáng)能戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同（如12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ等），很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。光伏發(fā)電最終將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用成熟的市場(chǎng)模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。

　　太陽(yáng)能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽(yáng)能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)家用電器、照明及電機(jī)工具等交流負(fù)載，是整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。逆變器有兩個(gè)基本功能：一方面是為完成DC/AC轉(zhuǎn)換的電流連接到電網(wǎng)，另一方面是找出最佳的操作點(diǎn)以優(yōu)化太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的效率。對(duì)于特定的太陽(yáng)光輻射、溫度及電池類型，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)都相應(yīng)有唯一的最佳電壓及電流，從而使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生最大的能量。因此，在太陽(yáng)能應(yīng)用中對(duì)逆變器必須滿足以下基本要求：

　　1.要求具有較高的效率。由于目前太陽(yáng)電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽(yáng)電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。

　　2.要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過(guò)熱、過(guò)載保護(hù)等。

　　3.要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽(yáng)電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽(yáng)電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如１２Ｖ蓄電池，其端電壓可在１０Ｖ～１６Ｖ之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。

　　4.在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。

　　二、太陽(yáng)能逆變器的原理及架構(gòu)

　　通常把交流電能變換成直流電能的過(guò)程稱之為整流，相控整流是最常見的交-直流變換過(guò)程；而把直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱之為逆變，它是整流的逆過(guò)程。在逆變電路中，按照負(fù)載性質(zhì)的不同，逆變分為有源逆變和無(wú)源逆變。如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電能經(jīng)過(guò)直-交流變換，逆變成與交流電源同頻率的交流電返送到電網(wǎng)上去，稱作有源逆變。相應(yīng)的裝置稱為有源逆變器，控制角大于90°的相控整流器為常見的有源逆變器。而把直流電能變換為交流電能，直接向非電源負(fù)載供電的電路，稱之為無(wú)源逆變電路，又稱為變頻器。

　　逆變器類型有他勵(lì)逆變器、自勵(lì)逆變器、脈寬調(diào)制（PWM）型逆變器。其中他勵(lì)逆變器需要外部交流電壓源，給晶閘管提供整流電壓。他勵(lì)逆變器主要應(yīng)用在大功率并網(wǎng)情況下；對(duì)于功率低于1MW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要采用自勵(lì)逆變器方式。自勵(lì)逆變器不需要外部交流電壓源，整流電壓由逆變器的一部分儲(chǔ)能元件（比如電容）來(lái)提供或者通過(guò)增加待關(guān)斷整流閥（像MOSFET 或IGBT）的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出電壓被脈沖調(diào)制的自勵(lì)逆變器被稱為脈沖逆變器。這種逆變器通過(guò)增加周期內(nèi)脈沖的切換次數(shù)，來(lái)降低電壓、電流的諧波含量；諧波含量與脈沖切換次數(shù)呈正比。目前，并網(wǎng)逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標(biāo)，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻較大的受控電流源。

　　目前，太陽(yáng)能逆變器已有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric（Sunways專利）逆變器，以及用于三相的六脈沖橋和中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器。太陽(yáng)能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個(gè)開關(guān)的全橋拓?fù)?，如圖1所示。

　　在圖1中， Q1 和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT，Q2 和Q4 則是低壓側(cè) IGBT。該逆變器用于在其目標(biāo)市場(chǎng)的頻率和電壓條件下，產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計(jì)量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng)，此項(xiàng)應(yīng)用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓力可注入電網(wǎng)中。 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(guò)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(duì)諧波分量進(jìn)行高效濾波。與快速和標(biāo)準(zhǔn)速度的平面器件相比，開關(guān)速度為20kHz的超快速溝道型IGBT可以提供最低的總導(dǎo)通損耗和開關(guān)功率損耗。同樣，對(duì)于低壓端開關(guān)電路，工作在60Hz的標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT可以提供最低的功率損耗。

　　這個(gè)設(shè)計(jì)中的開關(guān)技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)允許高壓端和低壓端IGBT獨(dú)立優(yōu)化實(shí)現(xiàn)很高的效率；高壓端、同封裝的軟恢復(fù)二極管沒有續(xù)流時(shí)間，從而消除了不必要的開關(guān)損耗；低壓端IGBT的開關(guān)頻率只有60Hz，因此導(dǎo)通損耗是這些IGBT的主要因素；沒有交叉導(dǎo)通，因?yàn)槿魏螘r(shí)間點(diǎn)的開關(guān)都發(fā)生在對(duì)角的兩個(gè)器件上（Q1和Q4或Q2和Q3）；不存在總線直通的可能性，因?yàn)闃虻耐贿吷系腎GBT永遠(yuǎn)不可能以互補(bǔ)方式開關(guān)；跨接低壓端IGBT的同封裝、超快速、軟恢復(fù)二極管經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以使續(xù)流和反向恢復(fù)期間的損耗達(dá)到最小。

　　三、IGBT抑或MOSFET

　　在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換過(guò)程中，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。為取得最佳的轉(zhuǎn)換效率和性能，為太陽(yáng)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(shí)。

　　多年來(lái)的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的優(yōu)勢(shì)，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(shí)間。 IGBT是一種少數(shù)載流子器件，它的關(guān)斷時(shí)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)。

　　IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管 （BJT） 。這種設(shè)計(jì)讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來(lái)控制開關(guān)。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時(shí)，IGBT亦如BJT一樣是一種少數(shù)載體元件。這意味著IGBT關(guān)閉的速度是由少數(shù)載體復(fù)合的速度快慢來(lái)決定。此外，IGBT的關(guān)閉時(shí)間與它的集極-射極飽和電壓 （Vce（on）） 成反比（如圖2所示）。

　　以圖2為例，若IGBT擁有相同的體積和技術(shù)，一個(gè)超速IGBT比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT擁有更高的Vce（on）。然而，超速IGBT的關(guān)閉速度卻比標(biāo)準(zhǔn)IGBT快得多。圖2反映的這種關(guān)系，是通過(guò)控制IGBT的少數(shù)載體復(fù)合率的使用周期以影響關(guān)閉時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

一般說(shuō)，因IGBT的電流更大（是MOSFET的兩倍多），所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方面的考慮外，器件性能可由功率損耗表度，而功率損耗可分為：導(dǎo)通和開關(guān)兩類。作為以少數(shù)載流子為基礎(chǔ)的器件，在大電流下，IGBT具有更低的導(dǎo)通電壓，也就意味著更低的導(dǎo)通損耗。但MOSFET的開關(guān)速度更快，所以開關(guān)損耗比IGBT低。因此對(duì)于要求更低開關(guān)頻率且更大電流的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選擇IGBT更為適合而且具備更低成本優(yōu)勢(shì)。另一方面，MOSFET有能力滿足高頻、小電流應(yīng)用，特別是那些開關(guān)頻率在100kHz以上的能量逆變器模塊的需要。雖然從器件成本角度看，MOSFET比IGBT貴，但其處理更高開關(guān)頻率的能力將簡(jiǎn)化輸出濾波器的磁設(shè)計(jì)并將顯著縮小輸出電感體積。 基于上述原因，更多的制造商因此傾向于在中高水平的能量逆變器中采用IGBT。而據(jù)Microsemi