優(yōu)化高電壓IGBT造就高效率太陽(yáng)能逆變器

隨著綠色電力運(yùn)動(dòng)勢(shì)頭不減，包括家電、照明和電動(dòng)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(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)。為了有效地滿(mǎn)足這些產(chǎn)品的需求，電源設(shè)計(jì)師正通過(guò)最少數(shù)量的器件、高度可靠性和耐用性，以高效率把太陽(yáng)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(yáng)能逆變器就需要控制、驅(qū)動(dòng)器和輸出功率器件的正確組合。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，在這里展示了一個(gè)針對(duì)500W功率輸出進(jìn)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(jì)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，有一個(gè)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器連接到光伏電池板，為這個(gè)功率轉(zhuǎn)換器提供200V直流輸入。不過(guò)在這里沒(méi)有提供太陽(yáng)能電池板的詳細(xì)資料，因?yàn)槟欠矫娌皇俏覀冇懻摰闹攸c(diǎn)。

現(xiàn)在，市場(chǎng)上有不同的高級(jí)功率開(kāi)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(lái)轉(zhuǎn)換功率。然而，這個(gè)應(yīng)用要達(dá)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(lái)的調(diào)查和分析顯示，IGBT比其他功率晶體管有更多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)中包括更高電流能力，利用電壓而非電流來(lái)進(jìn)行柵極控制，以及能夠與一個(gè)超快速恢復(fù)二極管協(xié)同封裝來(lái)加快關(guān)斷速度。此外，工藝技術(shù)及器件結(jié)構(gòu)的精細(xì)改進(jìn)也使IGBT的開(kāi)關(guān)性能得到相當(dāng)?shù)母纳?。其他?yōu)點(diǎn)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(jì)就會(huì)選用高電壓IGBT，作為功率開(kāi)關(guān)的必然之選。

因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)所實(shí)施的逆變器拓?fù)鋵儆谌珮?，所以有關(guān)的太陽(yáng)能逆變器采用了4個(gè)高電壓IGBT，如圖1所示。在這個(gè)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(jì)師要在這個(gè)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(gè)IGBT的逆變器設(shè)計(jì)

溝道和平面IGBT
為了要同時(shí)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(shí)低側(cè)功率器件就用60Hz進(jìn)行變化。通過(guò)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(shí)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(tīng)聲也可以降到最低，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)高于人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)范圍。

我們研究過(guò)采用不同IGBT組合的各種開(kāi)關(guān)技術(shù)后，認(rèn)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(zhǔn)速度的平面器件。與快速和標(biāo)準(zhǔn)速度平面器件比較，開(kāi)關(guān)頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態(tài)和開(kāi)關(guān)功率損耗組合。高側(cè)晶體管的開(kāi)關(guān)頻率為20kHz的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是輸出電感器有合理的小尺寸，同時(shí)也容易進(jìn)行濾波。在低側(cè)方面，我們把標(biāo)準(zhǔn)速度平面IGBT的開(kāi)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(xì)看高電壓(600V)超高速溝道IGBT的開(kāi)關(guān)性能，便會(huì)知道這些器件為20kHz的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化。這使設(shè)計(jì)在相關(guān)的頻率下能夠保持最少的開(kāi)關(guān)損耗，包括集電極到發(fā)射極的飽和電壓Vce(on)及總開(kāi)關(guān)能量ETS。結(jié)果，總通態(tài)和開(kāi)關(guān)功率損耗便可以維持在最低的水平。根據(jù)這一點(diǎn)，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(gè)超高速軟恢復(fù)二極管采用協(xié)同封裝，進(jìn)一步確保低開(kāi)關(guān)耗損。

此外，這些IGBT不用要求短路額定值，因?yàn)楫?dāng)逆變器的輸出出現(xiàn)短路時(shí)，輸出電感器L1和L2會(huì)限制電流di/dt，從而給予控制器足夠的時(shí)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(huì)帶來(lái)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(guò)100%鉗位電感負(fù)載測(cè)試。

與高側(cè)不同，通態(tài)耗損支配了低側(cè)IGBT。因?yàn)榈蛡?cè)晶體管的工作頻率只有60Hz，開(kāi)關(guān)損耗對(duì)這些器件來(lái)說(shuō)微不足道。標(biāo)準(zhǔn)速度平面IGBT是特別為低頻率和較低通態(tài)耗損而設(shè)計(jì)。所以，隨著低側(cè)器件于60Hz進(jìn)行開(kāi)關(guān)，這些IGBT要通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)速度平面IGBT來(lái)達(dá)到的最低功率耗損水平。因?yàn)檫@些器件的開(kāi)關(guān)損耗非常少，標(biāo)準(zhǔn)速度平面IGBT的總耗散并沒(méi)有受到其開(kāi)關(guān)耗損所影響?；谶@些考慮，標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT IRG4BC20SD因此成為低功率器件的最好選擇。一個(gè)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(jìn)行優(yōu)化。在10A下的典型Vce(on)為1.4V。針對(duì)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(dòng)器IC，以及獨(dú)立低和高側(cè)參考輸出通道所驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器IRS2106SPBF的浮動(dòng)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(dòng)對(duì)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(dòng)器的自舉電容器會(huì)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期(50μs)更新。