采用IGBT作為功率開關(guān)的500W太陽能逆變器設(shè)計

　　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。

　　研究高壓(600V)超快速溝道型IGBT的開關(guān)特性可以清楚地發(fā)現(xiàn)，這些器件工作在20kHz時具有最佳性能。這些器件在這些頻率點可以提供最小的開關(guān)損耗，包括更低的集電極到發(fā)射極飽和電壓(VCE(on))和總開關(guān)能量(ETS)，從而使總導(dǎo)通損耗和開關(guān)功率損耗保持最小。因此，高壓端功率器件通常選用超快速溝道型IGBT，如IRGB4062DPBF。

　　事實上，為進(jìn)一步降低開關(guān)功率損耗，IRGB4062DPBF在同一封裝內(nèi)還集成了一個超快速軟恢復(fù)二極管。高壓端晶體管的開關(guān)頻率選在20kHz的另一個好處是輸出電感可以做得很小，使諧波分量的濾除非常容易。此外，這些IGBT不要求短路率，因為當(dāng)逆變器輸出短路時，輸出電感L1和L2將限制電流di/dt，從而給控制器留出足夠的反應(yīng)時間。

　　此外，有短路率要求的IGBT可以比相同尺寸的無短路率IGBT提供更高的VCE(on)和更高的ETS。這樣，有短路率要求的IGBT的功率損耗會更大，從而降低電源逆變器的效率。

　　除了能在相同封裝內(nèi)提供更低導(dǎo)通和開關(guān)損耗、更大的電流密度外，超快速溝道型IGBT可以提供正方形反向偏置工作區(qū)和175°的最大結(jié)點溫度，并能承受4倍的額定電流。

　　與高壓端器件不同，導(dǎo)通損耗是低壓端IGBT的主要因素。因為低壓端晶體管的工作頻率只有60Hz，所以這些器件的開關(guān)損耗不是很明顯。標(biāo)準(zhǔn)速度的平面IGBT是專門針對低頻率和低導(dǎo)通損耗優(yōu)化了的器件。因此當(dāng)?shù)蛪憾似骷_關(guān)頻率為60Hz時，這些低壓端器件可以使用標(biāo)準(zhǔn)速度的平面IGBT實現(xiàn)最低功率損耗。

　　由于這些器件的開關(guān)損耗不大，所以不會影響標(biāo)準(zhǔn)速度平面IGBT的總功率損耗。因此，標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT IRG4BC20SD是低壓端功率器件的正確選擇。

　　封裝內(nèi)集成了超快速、軟恢復(fù)、反平行二極管的第四代IGBT，針對最小飽和電壓與低工作頻率(1kHz)作了優(yōu)化，典型的VCE(on)在電流為10A時是1.4V。跨接低壓端IGBT的同封裝二極管具有特別低的前向電壓降和反向泄漏電流，可以使續(xù)流(freewheeling)和反向恢復(fù)期間的損耗達(dá)到最小。

　　這個設(shè)計中的開關(guān)技術(shù)具有如下優(yōu)勢：通過允許高壓端和低壓端IGBT獨立優(yōu)化實現(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，因為任何時間點的開關(guān)都發(fā)生在對角的兩個器件上(Q1和Q4或Q2和Q3);不存在總線直通的可能性，因為橋的同一邊上的IGBT永遠(yuǎn)不可能以互補方式開關(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。

　　功能和性能

　　在系統(tǒng)級電源逆變器電路中，H橋的每條邊都使用高電壓、高速柵極驅(qū)動器IC進(jìn)行驅(qū)動，并且這些IC具有獨立的低壓端和高壓端參考輸出通道(圖3)。驅(qū)動器IRS2106SPBF的浮動通道允許對高壓端功率晶體管進(jìn)行自舉電源操作。

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