提高太陽(yáng)能逆變器效能的IGBT選擇方法

如今市場(chǎng)上先進(jìn)功率元件的種類數(shù)不勝數(shù)，工程人員要為一項(xiàng)應(yīng)用選擇到合適的功率元件，的確是一項(xiàng)艱巨的工作。就以太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用來說，絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 能比其他功率元件提供更多的效益，其中包括高載流能力、以電壓而非電流進(jìn)行控制，并能使逆并聯(lián)二極管與IGBT配合。本文將介紹如果利用全橋逆變器拓?fù)浼斑x用合適的IGBT，使太陽(yáng)能應(yīng)用的功耗降至最低。

太陽(yáng)能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽(yáng)能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓來驅(qū)動(dòng)家用電器、照明及電機(jī)工具等交流負(fù)載。如圖1所示，太陽(yáng)能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個(gè)開關(guān)的全橋拓?fù)洹?/p>

在圖1中， Q1 和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT，Q2 和Q4 則是低壓側(cè) IGBT。該逆變器用于在其目標(biāo)市場(chǎng)的頻率和電壓條件下，產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計(jì)量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng)，此項(xiàng)應(yīng)用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓電力可注入電網(wǎng)中。

為滿足這個(gè)要求，IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下，對(duì)50Hz或60Hz的頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制，因此輸出電感器L1和L2便可以保持合理的小巧體積，并能有效抑制諧波。此外，由于其轉(zhuǎn)換頻率高出人類的正常聽覺頻譜，因此該設(shè)計(jì)也可盡量減少逆變器產(chǎn)生的可聽噪聲。

脈寬調(diào)制這些IGBT的最佳方法是什么?怎樣才能把功耗降到最低呢?方法之一是僅對(duì)高壓側(cè)IGBT進(jìn)行脈寬調(diào)制，對(duì)應(yīng)的低壓側(cè)IGBT以50Hz或60Hz 換相。圖2所示為一個(gè)典型的柵壓信號(hào)。當(dāng)Q1 正進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關(guān)斷。到了負(fù)半周期，當(dāng)Q3進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，Q2保持開啟狀態(tài)。Q1和Q4會(huì)在負(fù)半周期關(guān)斷。圖2 也顯示了通過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。

此變換技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電流不會(huì)在高壓側(cè)反并二極管上自由流動(dòng)，因此可把不必要的損耗低至最低。(2)低壓側(cè)IGBT只會(huì)在50Hz或60Hz工頻進(jìn)行切換，主要是導(dǎo)通損耗。(3)由于同一相上的IGBT絕對(duì)不會(huì)以互補(bǔ)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以不可能出現(xiàn)總線短路擊穿情況。(4)可優(yōu)化低壓側(cè)IGBT的反并聯(lián)二極管，以盡量減低續(xù)流和反向恢復(fù)導(dǎo)致的損耗。

IGBT技術(shù)

IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管 (BJT) 。這種設(shè)計(jì)讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控制開關(guān)。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時(shí)，IGBT亦如BJT一樣是一種少數(shù)載體元件。這意味著IGBT關(guān)閉的速度是由少數(shù)載體復(fù)合的速度快慢來決定。此外，IGBT的關(guān)閉時(shí)間與它的集極-射極飽和電壓 (Vce(on)) 成反比(如圖3所示)。

以圖3為例，若IGBT擁有相同的體積和技術(shù)，一個(gè)超速IGBT比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT擁有更高的Vce(on) 。然而，超速IGBT的關(guān)閉速度卻比標(biāo)準(zhǔn)IGBT快得多。圖3反映的這種關(guān)系，是通過控制IGBT的少數(shù)載體復(fù)合率的使用周期以影響關(guān)閉時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。

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表 1顯示了四個(gè)擁有相同尺寸的IGBT的參數(shù)值。前三個(gè)IGBT采用同樣的平面式技術(shù)，但使用不同的壽命復(fù)合控制計(jì)量。從表中可見，標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT具有最低Vce(on) ，但與快速和超速平面式IGBT相比，標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT下降時(shí)間最慢。第四個(gè)IGBT是經(jīng)優(yōu)化的槽柵IGBT，能夠?yàn)樘?yáng)能逆變器這類高頻率切換應(yīng)用提供低導(dǎo)通和開關(guān)損耗。請(qǐng)注意，槽柵IGBT的Vce(on) 和總切換損耗 (Ets) 比超速平面式IGBT低。

高壓側(cè)IGBT

前文討論了高壓側(cè) IGBT在20kHz或以上頻率進(jìn)行切換。假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)擁有230V交流輸出的1.5kW 太陽(yáng)能逆變器，表1中哪種IGBT具有最低的功耗呢?圖4顯示了IGBT在20kHz進(jìn)行切換的功耗分析，由此可見超速平面式IGBT比其它兩種平面式 IGBT具有更低的總功耗。

在20kHz下，開關(guān)損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT的導(dǎo)通損耗雖然最低，但其開關(guān)損耗卻最大，并不適合充當(dāng)高壓側(cè)IGBT。

最新的600V 槽柵IGBT 專為20kHz的切換進(jìn)行了優(yōu)化。如圖五所示，這種IGBT比以往的平面式IGBT提供較低的總功耗。因此，為了讓太陽(yáng)能逆變器的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到最高效率，槽柵IGBT是高壓側(cè)IGBT的首選元件。

低壓側(cè)IGBT

低壓側(cè)IGBT同樣有同一問題。究竟哪一種IGBT才能提供最低的功耗?由于這些IGBT只會(huì)進(jìn)行50Hz或60Hz切換，如圖5所示，標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標(biāo)準(zhǔn)IGBT會(huì)帶來一些開關(guān)損耗，但數(shù)值并不足以影響IGBT的總功耗。事實(shí)上，最新的槽柵IGBT仍然擁有較高的功耗，因?yàn)檫@一代的槽柵IGBT專門針對(duì)高頻率應(yīng)用而設(shè)計(jì)，以平衡開關(guān)和導(dǎo)通損耗為目標(biāo)。因此，對(duì)低壓側(cè)IGBT來說，標(biāo)準(zhǔn)速度平面式IGBT仍然是必然選擇。

本文小結(jié)

本文分析了太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用的全橋拓?fù)?。這種拓?fù)淅谜颐}寬調(diào)制技術(shù)，在高于20kHz情況下，為高壓側(cè)IGBT 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。支線的低壓側(cè)IGBT決于輸出頻率要求，在50Hz或60Hz進(jìn)行轉(zhuǎn)換。若挑選最新的600V槽柵IGBT，其總功耗將會(huì)在20kHz下達(dá)到最低。在低壓側(cè)IGBT方面，標(biāo)準(zhǔn)速度平面式IGBT是最佳選擇。標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT在50Hz或60Hz下?lián)碛凶畹偷膶?dǎo)通損耗，其開關(guān)損耗對(duì)整體功耗來說微不足道。因此，工程師只要正確選擇IGBT組合， 就能將太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用的功耗降至最低。