光伏IGBT逆變器設(shè)計(jì)原理和電路圖

太陽能光伏發(fā)電的實(shí)質(zhì)就是在太陽光的照射下，太陽能電池陣列(即PV組件方陣)將太陽能轉(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。以往的光伏發(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)電阻過大而導(dǎo)致增加開關(guān)損耗的缺點(diǎn)。在實(shí)際項(xiàng)目中IGBT逆變器已經(jīng)逐漸取代功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET，因?yàn)榻^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，通過電壓來控制導(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)成太陽能光伏發(fā)電關(guān)鍵電路的開關(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)。在實(shí)際項(xiàng)目中IGBT逆變器已經(jīng)逐漸取代功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。

圖1：太陽能光伏發(fā)電流程

IGBT逆變器的工作原理

逆變器是太陽能光伏發(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程，是太陽能和用戶之間相聯(lián)系的必經(jīng)之路。因此要研究太陽能光伏發(fā)電的過程，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。

圖2：MOSFET逆變器和IGBT逆變器電路圖對(duì)比

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來說多了一個(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)射極之間沒有電流通過，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來說，IGBT的電流容量要更大一些。

IGBT逆變器電路設(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。為了提升太陽能光伏發(fā)電逆變器的效率，可以通過降低逆變器損耗的方式來完成，其中驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗是重點(diǎn)解決對(duì)象。降低驅(qū)動(dòng)損耗的關(guān)鍵取決于功率開關(guān)管IGBT的柵極特性，降低開關(guān)損耗的關(guān)鍵取決于功率開關(guān)管IGBT的控制方式，因此針對(duì)驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗的特性提出以下解決方案。

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，可以通過控制其柵極的電阻來降低驅(qū)動(dòng)損耗，提高其工作效率。EXB841內(nèi)部有過電流保護(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。

圖3:EXB843集成電路構(gòu)成IGBT的驅(qū)動(dòng)電路圖

具體實(shí)施如下：采用Rg2和VD1串聯(lián)再與Rg1并聯(lián)，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部EXB841的3腳輸出正電壓，VD1導(dǎo)通，Rg1和Rg2共同工作，因?yàn)椴⒙?lián)后的總電阻小于每一個(gè)支路的分電阻，所以串聯(lián)在柵極上的總電阻Rg的值比Rg1，Rg2的值都要小，這樣使得開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗隨著總電阻值的減小而減少，進(jìn)而降低驅(qū)動(dòng)損耗。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，該驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部EXB841的5腳導(dǎo)通，3腳不導(dǎo)通，IGBT的發(fā)射極提供負(fù)電壓，使得與Rg2串聯(lián)的VD1截止，Rg1工作，Rg2不工作，此時(shí)串聯(lián)在柵極上的總電阻Rg的值就是Rg1的阻值，這樣在關(guān)斷IGBT時(shí)不會(huì)因?yàn)闁艠O間的電阻過小而導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通，進(jìn)而提高了工作效率。

2 軟開關(guān)DC-DC變換電路

針對(duì)開關(guān)損耗，采用軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)是相對(duì)于硬開關(guān)而言的，傳統(tǒng)的開關(guān)方式稱為硬開關(guān)，所謂軟開關(guān)技術(shù)就是半導(dǎo)體開關(guān)在其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)的時(shí)間很短，使流過開關(guān)的電流或加在開關(guān)的電壓很小，幾乎為零，從而降低了開關(guān)損耗。實(shí)質(zhì)是通過提高開關(guān)頻率來減小變壓器和濾波器的體積和重量，進(jìn)而大大提高變換器的功率密度，降低了開關(guān)電源的音頻噪聲，從而減小了開關(guān)損耗。當(dāng)IGBT功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，加在兩端的電壓為零稱為零電壓開關(guān)，IGBT關(guān)斷時(shí)，流過其上的電流為零稱為零電流開關(guān)。由于IGBT具有一定的開關(guān)損耗，所以采用移相全橋零電壓零電流PWM軟開關(guān)變換器(如圖4所示)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沒有有損元件，減少了IGBT尾電流的影響，進(jìn)而減少了開關(guān)損耗，提高了逆變器的效率。

圖4：軟開關(guān)DC-DC變換電路圖

Q1～Q4是4個(gè)IGBT功率開關(guān)管，其中Q1和Q3為超前臂，Q2和Q4為滯后臂，Q1和Q3超前于Q2和Q4一個(gè)相位，當(dāng)Q1和Q4關(guān)斷，Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，UAB兩端電壓等于V1兩端電壓，電容器C1被電源電壓V1充電。當(dāng)Q3由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，電容器C3被充電，電感L1釋放能量，使得電容器C1諧振放電，直到電容器C1上的電壓為零，使Q1具備了零電壓導(dǎo)通的條件，同理可知超前臂Q3的零電壓導(dǎo)通原理。當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3關(guān)斷時(shí)，AB兩端電壓等于V1兩端電壓，電容器C3處于充電狀態(tài)，當(dāng)Q1和Q4持續(xù)導(dǎo)通時(shí)，電感L2與電容C8產(chǎn)生諧振，因此，電容C8被充電。當(dāng)Q1由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，電容C1被充電，使得C3開始放電，AB兩端電壓減小，使得C8諧振放電，C8持續(xù)放電，最后使得二極管D7續(xù)流，Q4的驅(qū)動(dòng)脈沖持續(xù)下降直到零，最終完成了Q4的零電流關(guān)斷。同理可知滯后臂Q2的零電流關(guān)斷原理。

因此可以說超前臂Q1和Q3分別通過并聯(lián)電容器C1和C3來完成零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而減小開關(guān)損耗;滯后臂Q2和Q4則是通過輔助電路中對(duì)C8放電，使流過變壓器原邊的電流減小到零進(jìn)而完成零電流導(dǎo)通和關(guān)斷。

電路模擬結(jié)果

根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果如圖5所示。

一般電路波形接近方波部分說明其輸出含有較多的諧波分量，這樣會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的附加損耗，如圖5是采用IGBT的改進(jìn)電路，其波形很接近正弦波，理想的正弦波其總諧波畸變度為零，但實(shí)際生活中很難達(dá)到這樣的水準(zhǔn)，因此基本達(dá)到要求，同時(shí)由于PIC16F873單片機(jī)具有多路PWM發(fā)生器，又具有更好的輸出正弦波的特點(diǎn)，因此驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，達(dá)到了預(yù)期效果。

通過對(duì)器件的比較與分析，電路的改進(jìn)與優(yōu)化，集成電路EXB841本身內(nèi)部含有過電流保護(hù)電路，解決了絕緣柵雙極晶體管IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路部分的要求，而且減少了外部電路的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單、方便。軟開關(guān)技術(shù)則解決了IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)流過電流與其上電壓過大的問題，最終整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗大大減少，輸出波形是較為穩(wěn)定的正弦波，進(jìn)而提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。