飛兆高功率逆變器設(shè)計(jì)方案

I 引言和摘要

由于對(duì)可再生能源的需求，太陽(yáng)能逆變器 (光電逆變器)的市場(chǎng)正在不斷增長(zhǎng)。 而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。 本文對(duì)這些逆變器中采用的功率電路進(jìn)行了考察， 并推薦了針對(duì)開(kāi)關(guān)和整流器件的最佳選擇。

光電逆變器的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 有三種不同的逆變器可供選擇。 太陽(yáng)光照射在通過(guò)串聯(lián)方式連接的太陽(yáng)能模塊上， 每一個(gè)模塊都包含了一組串聯(lián)的太陽(yáng)能電池(太陽(yáng)能電池)單元。 太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生的直流(DC)電壓在幾百伏的數(shù)量級(jí)， 具體數(shù)值根據(jù)模塊陣列的光照條件、 電池的溫度及串聯(lián)模塊的數(shù)量而定。

這類逆變器的首要功能是把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定的值。 該功能通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 并需要升壓開(kāi)關(guān)和升壓二極管。

在第一種結(jié)構(gòu)中，升壓級(jí)之后是一個(gè)隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個(gè)全橋變換器是用來(lái)從第一級(jí)的全橋變換器的直流直流變換成交流(AC)電壓。 其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點(diǎn)繼電器開(kāi)關(guān)連接到交流電電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之前被濾波， 目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網(wǎng)隔離。

第二種結(jié)構(gòu)是非隔離方案。其中，交流電交流電壓由升壓級(jí)輸出的直流電壓直接產(chǎn) 生。

第三種結(jié)構(gòu)利用功率開(kāi)關(guān)和功率二極管的創(chuàng)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把升壓和交流電交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個(gè)專用拓?fù)渲小?/p>

盡管太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。 在德國(guó)， 安裝在朝南屋頂上的 3kW 串聯(lián)模塊預(yù)計(jì)每年可發(fā)電 2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發(fā)電 25kWh。而利用額外的太陽(yáng)能模塊產(chǎn)生這25kWh 的費(fèi)用與增加一個(gè)逆變器相當(dāng)。 由于效率從 95% 提高到 96% 不會(huì)使到逆變器的成本加倍， 故對(duì)更高效的逆變器進(jìn)行投資是必然的選擇。 對(duì)新興設(shè)計(jì)而言， 以最具成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。更高的效率可以降低負(fù)載周期上的溫度波動(dòng)，從而提高可靠性，因此，這些準(zhǔn)則實(shí)際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會(huì)提高可靠性。

圖1 所示的所有拓?fù)涠夹枰焖俎D(zhuǎn)換的功率開(kāi)關(guān)。 升壓級(jí)和全橋變換級(jí)需要快速轉(zhuǎn)換二極管。 此外， 專門(mén)為低頻(100Hz)轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開(kāi)關(guān)對(duì)這些拓?fù)湟埠苡杏锰帯?對(duì)于任何特定的硅技術(shù)， 針對(duì)快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開(kāi)關(guān)比針對(duì)低頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用優(yōu)化的開(kāi)關(guān)具有更高的導(dǎo)通損耗。

II 用于升壓級(jí)的開(kāi)關(guān)和二極管

升壓級(jí)一般設(shè)計(jì)為連續(xù)電流模式轉(zhuǎn)換器。根據(jù)逆變器所采用的陣列中太陽(yáng)能模塊的數(shù)量，來(lái)選者使用600V 還是 1200V 的器件。

功率開(kāi)關(guān)的兩個(gè)選擇是MOSFET 和 IGBT。一般而言，MOSFET 比 IGBT 可以工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率下。 此外， 還必須始終考慮體二極管的影響： 在升壓級(jí)的情況下并沒(méi)有什么問(wèn)題， 因?yàn)檎９ぷ髂Ｊ较麦w二極管不導(dǎo)通。 MOSFET 的導(dǎo)通損耗可根據(jù)導(dǎo)通阻抗 RDS(ON)來(lái)計(jì)算， 對(duì)于給定的 MOSFET 系列， 這與有效裸片面積成比例關(guān)系。 當(dāng)額定電壓從 600V 變化到 1200V 時(shí)， MOSFET 的傳導(dǎo)損耗會(huì)大大增加， 因此，即使額定 RDS(ON)相當(dāng)， 1200V 的 MOSFET 也不可用或是價(jià)格太高。

對(duì)于額定600V 的升壓開(kāi)關(guān)， 可采用超結(jié) MOSFET。對(duì)高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用，這種技術(shù)具有最佳的導(dǎo)通損耗。目前市面上有采用TO-220 封裝、 RDS(ON)值低于 100 毫歐的 MOSFET 和采用 TO-247 封裝、 RDS(ON)值低于 50 毫歐的 MOSFET。

對(duì)于需要1200V 功率開(kāi)關(guān)的太陽(yáng)能逆變器， IGBT 是適當(dāng)?shù)倪x擇。 較先進(jìn)的 IGBT 技術(shù)， 比如 NPT戰(zhàn)壕和 NPT領(lǐng)域停止，都針對(duì)降低導(dǎo)通損耗做了優(yōu)化， 但代價(jià)是較高的開(kāi)關(guān)損耗， 這使得它們不太適合于高頻下的升壓應(yīng)用。

飛兆半導(dǎo)體在舊有NPT 平面技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種可以提高高開(kāi)關(guān)頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有 43uJ和的 EOFF，比較采用更先進(jìn)技術(shù)器件的 EOFF 為 80uJ和A，但要獲得這種性能卻非常困難。 FGL40N120AND 器件的缺點(diǎn)在于飽和壓降VCE(SAT)(3.0V 相對(duì)于 125oC 的 2.1V)較高， 不過(guò)它在高升壓開(kāi)關(guān)頻率下開(kāi)關(guān)損耗很低的優(yōu)點(diǎn)已足以彌補(bǔ)這一切。 該器件還集成了反并聯(lián)二極管。 在正常升壓工作下， 該二極管不會(huì)導(dǎo)通。 然而， 在啟動(dòng)期間或瞬變情況下， 升壓電路有可能被驅(qū)使進(jìn)入工作模式， 這時(shí)該反并聯(lián)二極管就會(huì)導(dǎo)通。 由于 IGBT 本身沒(méi)有固有的體二極管， 故需要這種共封裝的二極管來(lái)保證可靠的工作。

對(duì)升壓二極管，需要秘密行動(dòng)？ 或碳硅二極管這樣的快速恢復(fù)二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。不過(guò)目前它們的價(jià)格都很高昂。

在選擇升壓二極管時(shí)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，必須考慮到反向恢復(fù)電流 (或碳硅二極管的結(jié)電容)對(duì)升壓開(kāi)關(guān)的影響， 因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致額外的損耗。 在這里， 新推出的秘密行動(dòng)II 二極管 FFP08S60S 可以提供更高的性能。 當(dāng) VDD=390V 、 ID=8A 、 di/dt=200A和我們，且外殼溫度為 100oC 時(shí)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有， 計(jì)算得出的開(kāi)關(guān)損耗低于 FFP08S60S 的參數(shù)205mJ。而采用ISL9R860P2秘密行動(dòng)二極管， 這個(gè)值則達(dá) 225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開(kāi)關(guān)頻率下的效率。

III 用于橋接和專用級(jí)的開(kāi)關(guān)和二極管

濾波之后，輸出橋產(chǎn)生一個(gè)50Hz 的正弦電壓及電流信號(hào)。 一種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方案是采用標(biāo)準(zhǔn)全橋結(jié)構(gòu)(圖 2)。圖中若左上方和右下方的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個(gè)正電壓；右上方和左下方的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個(gè)負(fù)電壓。

對(duì)于這種應(yīng)用，在某一時(shí)段只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。一個(gè)開(kāi)關(guān)可被切換到PWM 高頻下CONTROL，另一開(kāi)關(guān)則在 50Hz 低頻下。由于自舉電路依賴于低端器件的轉(zhuǎn)換， 故低端器件被切換到 PWM 高頻下， 而高端器件被切換到 50Hz 低頻下。

這應(yīng)用采用了600V 的功率開(kāi)關(guān)，故 600V 超結(jié) MOSFET 非常適合這個(gè)高速的開(kāi)關(guān)器件。 由于這些開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)會(huì)承受其它器件的全部反向恢復(fù)電流， 因此快速恢復(fù)超結(jié)器件如 600V FCH47N60F 是十分理想的選擇。 它的 RDS(ON)為 73 毫歐， 相比其它同類的快速恢復(fù)器件其導(dǎo)通損耗很低。 當(dāng)這種器件在 50Hz 下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有， 無(wú)需使用快速恢復(fù)特性。 這些器件具有出色的 dv/dt 和 di/dt 特性， 比較標(biāo)準(zhǔn)超結(jié) MOSFET 可提高系統(tǒng)的可靠性。

另一個(gè)值得探討的選擇是采用FGH30N60LSD 器件。 它是一顆飽和電壓 VCE(SAT)只有 1.1V 的 30A/600V IGBT。其關(guān)斷損耗EOFF 非常高， 達(dá) 10mJ，故只適合于低頻轉(zhuǎn)換。 一個(gè) 50 毫歐的 MOSFET 在工作溫度下導(dǎo)通阻抗 RDS(ON)為 100 毫歐。 因此在 11A 時(shí)， 具有和 IGBT 的 VCE(SAT)相同的 VDS。由于這種IGBT 基于較舊的擊穿技術(shù)， VCE(SAT)隨溫度的變化不大。 因此， 這種 IGBT 可降低輸出橋中的總體損耗， 從而提高逆變器的總體效率。

FGH30N60LSD IGBT 在每半周期從一種功率轉(zhuǎn)換技術(shù)切換到另一種專用拓?fù)涞淖龇ㄒ彩钟杏谩?IGBT 在這里被用作拓?fù)溟_(kāi)關(guān)。 在較快速的轉(zhuǎn)換時(shí)則使用常規(guī)及快速恢復(fù)超結(jié)器件。

對(duì)于1200V 的專用拓?fù)浼叭珮蚪Y(jié)構(gòu)， 前面提到的 FGL40N120AND 是非常適合于新型高頻太陽(yáng)能逆變器的開(kāi)關(guān)。 當(dāng)專用技術(shù)需要二極管時(shí)，秘密行動(dòng)II 、 Hyperfast II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。