優(yōu)化高電壓IGBT造就高效率太陽(yáng)能逆變器

　　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)行開關(guān)，這些IGBT要通過采用標(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@些器件的開關(guān)損耗非常少，標(biāo)準(zhǔn)速度平面IGBT的總耗散并沒有受到其開關(guān)耗損所影響。基于這些考慮，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)開關(guān)周期(50μs)更新。

　　圖2 全橋功率逆變器電路

　　由于高側(cè)Q1和Q2協(xié)同封裝二極管并不受續(xù)流電流影響，同時(shí)低側(cè)Q3及Q4擁有主要的通態(tài)耗損和非常少的開關(guān)耗損，整體系統(tǒng)損耗獲得最小化，而系統(tǒng)效率就得到最大化。此外，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)間，開關(guān)都在對(duì)角器件配對(duì)Q1和Q4，或者Q2和Q3上進(jìn)行，所以排除了直通的可能性。同時(shí)，每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器IC具備高脈沖電流緩沖級(jí)以最小化驅(qū)動(dòng)器的直通。這個(gè)逆變器的另一個(gè)突出功能，是它以單一直流母線供電運(yùn)作。因此，排除了負(fù)直流母線的需求。簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，針對(duì)整體逆變器，以上這些安排全部都可以轉(zhuǎn)化為更高的效率和更少的零件數(shù)目。更少的零件也表示設(shè)計(jì)可以占更少的空間，以及擁有更簡(jiǎn)短的物料清單。

　　在這個(gè)逆變器設(shè)計(jì)中，+20V電源首先用來(lái)推動(dòng)微型處理器，并且管理不同的電路。有關(guān)代碼的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)逆變器解決方案中采用的8位微型控制器PIC18F1320會(huì)為IGBT驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生信號(hào)，由此最終提供用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT的信號(hào)。以專用先進(jìn)高電壓IC工藝過程 (G5 HVIC)以及鎖存免疫CMOS技術(shù)的柵極驅(qū)動(dòng)器集成高電壓轉(zhuǎn)換和終端技術(shù)，使驅(qū)動(dòng)器能夠從微型控制器的低電壓輸入產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào)。有關(guān)的邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL輸出相容，邏輯電壓可低至3.3V。

　　超高速二極管D1和D2提供路徑來(lái)把電容器C2及C3充電，并且確保高側(cè)驅(qū)動(dòng)器獲得正確的動(dòng)力。圖3描繪出相關(guān)的輸出波形。如圖所示，在正輸出半周期內(nèi)，高側(cè)IGBT Q1經(jīng)過正弦PWM調(diào)制，但低側(cè)Q4就保持開通狀況。同樣地，在負(fù)輸出半周期內(nèi)，高側(cè)Q2經(jīng)過正弦PWM調(diào)制，而低側(cè)Q3則保持開通狀況。這種開關(guān)技術(shù)在輸出LC濾波器之后，于電容器C4的兩端提供60Hz交流正弦波。

　　圖3 電容器充電波形

　　逆變器是為500W的輸出而設(shè)計(jì)，測(cè)量所得的交流輸出功率是480.1W，功率損耗則是14.4W。在60Hz的頻率下，交流輸出電壓有117.8V，輸出電流是4.074A。這個(gè)配置獲得97.09%的效率。利用相似的配置，將逆變器改為針對(duì)200W輸出，然后再重新測(cè)量轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果顯示，在這個(gè)負(fù)載下，交流功率為214W，功率耗損有6.0W，而在1.721A的輸出電流下，60Hz輸出電壓為124.6V。在這個(gè)功率額定值下，所得的轉(zhuǎn)換效率為97.28%。即使在較低一端的輸出功率(100W)，我們也看到相似的效率性能。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通過把適當(dāng)?shù)母唠妷候?qū)動(dòng)器與優(yōu)化了的低側(cè)和高側(cè)高電壓IGBT結(jié)合，我們?cè)谶@里提到的太陽(yáng)能逆變器設(shè)計(jì)，能夠在100～500W的功率輸出范圍內(nèi)持續(xù)提供高轉(zhuǎn)換效率性能。由于轉(zhuǎn)換效率非常高，所以有關(guān)的低功率損耗并不會(huì)帶來(lái)任何溫度管理挑戰(zhàn)。因此，在最高500W的輸出功率下，高側(cè)IGBT (IRGB4062DPBF) 的結(jié)溫大約80℃，比最高的特定結(jié)溫175℃要低于一半。同樣地，在一樣的功率水平下，低側(cè)IGBT (IRG4BC20SD-PBF)顯示83℃的結(jié)溫。同時(shí)，當(dāng)輸出功率達(dá)到200W左右，溫度還會(huì)變得更低。