IGBT光伏發(fā)電逆變電路

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)是采用功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET構(gòu)成的逆變電路。然而隨著電壓的升高，MOSFET的通態(tài)電阻也會(huì)隨著增大，在一些高壓大容量的系統(tǒng)中，MOSFET會(huì)因其通態(tài)電阻過(guò)大而導(dǎo)致增加開(kāi)關(guān)損耗的缺點(diǎn)。相比之下，絕緣柵雙極晶體管IGBT通態(tài)電流大，正反向組態(tài)電壓比較高，通過(guò)電壓來(lái)控制導(dǎo)通或關(guān)斷，這些特點(diǎn)使IGBT在中、高壓容量的系統(tǒng)中更具優(yōu)勢(shì)，因此采用IGBT構(gòu)成太陽(yáng)能光伏發(fā)電關(guān)鍵電路的開(kāi)關(guān)器件，有助于減少整個(gè)系統(tǒng)不必要的損耗，使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

1 原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
太陽(yáng)能光伏發(fā)電的實(shí)質(zhì)就是在太陽(yáng)光的照射下，太陽(yáng)能電池陣列(即PV組件方陣)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，輸出的直流電經(jīng)由逆變器后轉(zhuǎn)變成用戶可以使用的交流電。原理圖如圖1所示。

逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，因?yàn)樗菍⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為用戶可以使用的交流電的必要過(guò)程，是太陽(yáng)能和用戶之間相聯(lián)系的必經(jīng)之路。因此要研究太陽(yáng)能光伏發(fā)電的過(guò)程，就需要重點(diǎn)研究逆變電路這一部分。如圖2(a)所示，是采用功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET構(gòu)成的比較簡(jiǎn)單的推挽式逆變電路，其變壓器的中性抽頭接于電源正極，MOSFET的一端接于電源負(fù)極，功率場(chǎng)效應(yīng)管Q1，Q2交替的工作最后輸出交流電力，但該電路的缺點(diǎn)是帶感性負(fù)載的能力差，而且變壓器的效率也較低，因此應(yīng)用起來(lái)有一些條件限制。采用絕緣柵雙極晶體管IGBT構(gòu)成的全橋逆變電路如圖2(b)所示。其中Q1和Q2之間的相位相差180°，其輸出交流電壓的值隨Q1和Q2的輸出變化而變化。Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通構(gòu)成續(xù)流回路，所以輸出電壓的波形不會(huì)受感性負(fù)載的影響，所以克服了由MOSFET構(gòu)成的推挽式逆變電路的缺點(diǎn)，因此采用IGBT構(gòu)成的全橋式逆變電路的應(yīng)用較為廣泛一些。

1．2 IGBT的原理
絕緣柵雙極晶體管IGBT是相當(dāng)于在MOSFET的漏極下增加了P+區(qū)，相比MOSFET來(lái)說(shuō)多了一個(gè)PN結(jié)，當(dāng)IGBT的集電極與發(fā)射極之間加上負(fù)電
壓時(shí)，此PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，其集電極與發(fā)射極之間沒(méi)有電流通過(guò)，因此IGBT要比MOSFET具有更高的耐壓性。也是由于P+區(qū)的存在，使得IGBT在導(dǎo)通時(shí)是低阻狀態(tài)，所以相對(duì)MOSFET來(lái)說(shuō)，IGBT的電流容量要更大一些。表1所示為MOSFET和IGBT的性能對(duì)比，其中MOSFET的門(mén)柵極驅(qū)動(dòng)損耗是比較低的，但相比于IGBT來(lái)說(shuō)，IGBT的門(mén)柵極驅(qū)動(dòng)損耗更低一些。

2 電路設(shè)計(jì)
逆變電路中的前級(jí)DC-DC變換器部分采用PIC16F873單片機(jī)為控制核心，后級(jí)DC-AC部分采用高性能DSP芯片TMS320F240為控制核心的全橋逆變電路。為了提升太陽(yáng)能光伏發(fā)電逆變器的效率，可以通過(guò)降低逆變器損耗的方式來(lái)完成，其中驅(qū)動(dòng)損耗和開(kāi)關(guān)損耗是重點(diǎn)解決對(duì)象。降低驅(qū)動(dòng)損耗的關(guān)鍵取決于功率開(kāi)關(guān)管IGBT的柵極特性，降低開(kāi)關(guān)損耗的關(guān)鍵取決于功率開(kāi)關(guān)管IGBT的控制方式，因此針對(duì)驅(qū)動(dòng)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的特性提出以下解決方案。

2．1 驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路是將主控制電路輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉夏孀冸娐匪枰尿?qū)動(dòng)信號(hào)，也就是說(shuō)它是連接主控制器與逆變器之間的橋梁，因此驅(qū)動(dòng)電路性能的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。采用EXB841集成電路構(gòu)成IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，EXB841的響應(yīng)速度快，可以通過(guò)控制其柵極的電阻來(lái)降低驅(qū)動(dòng)損耗，提高其工作效率。EXB841內(nèi)部有過(guò)電流保護(hù)電路，減少了外部電路的設(shè)計(jì)，使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單方便。比較典型的EXB 841的應(yīng)用電路，一般是在IGBT的柵極上串聯(lián)一個(gè)電阻Rg，這樣是為了可以減小控制脈沖前后的震蕩，而選取適當(dāng)Rg的阻值則對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)有著相當(dāng)重要的影響。此次電路在EXB841典型應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上，優(yōu)化IGBT柵極上串聯(lián)的電阻，使其在IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)，其電阻隨著需要而有所變化。