優(yōu)化高電壓IGBT造就高效率太陽能逆變器

隨著綠色電力運(yùn)動勢頭不減，包括家電、照明和電動工具等應(yīng)用，以至其他工業(yè)用設(shè)備都在盡可能地利用太陽能的優(yōu)點(diǎn)。為了有效地滿足這些產(chǎn)品的需求，電源設(shè)計(jì)師正通過最少數(shù)量的器件、高度可靠性和耐用性，以高效率把太陽能源轉(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，太陽能逆變器就需要控制、驅(qū)動器和輸出功率器件的正確組合。要達(dá)到這個目標(biāo)，在這里展示了一個針對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)。在這個設(shè)計(jì)中，有一個DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器連接到光伏電池板，為這個功率轉(zhuǎn)換器提供200V直流輸入。不過在這里沒有提供太陽能電池板的詳細(xì)資料，因?yàn)槟欠矫娌皇俏覀冇懻摰闹攸c(diǎn)。

現(xiàn)在，市場上有不同的高級功率開關(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)來轉(zhuǎn)換功率。然而，這個應(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進(jìn)行柵極控制，以及能夠與一個超快速恢復(fù)二極管協(xié)同封裝來加快關(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的開關(guān)性能得到相當(dāng)?shù)母纳啤Ｆ渌麅?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)就會選用高電壓IGBT，作為功率開關(guān)的必然之選。

因?yàn)檫@個設(shè)計(jì)所實(shí)施的逆變器拓?fù)鋵儆谌珮?，所以有關(guān)的太陽能逆變器采用了4個高電壓IGBT，如圖1所示。在這個電路中，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IGBT的逆變器設(shè)計(jì)

溝道和平面IGBT
為了要同時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)，同時低側(cè)功率器件就用60Hz進(jìn)行變化。通過把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，逆變器的可聽聲也可以降到最低，因?yàn)殚_關(guān)頻率已經(jīng)高于人類的聽覺范圍。

我們研究過采用不同IGBT組合的各種開關(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，開關(guān)頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態(tài)和開關(guān)功率損耗組合。高側(cè)晶體管的開關(guān)頻率為20kHz的另外一個優(yōu)點(diǎn)，是輸出電感器有合理的小尺寸，同時也容易進(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的開關(guān)性能，便會知道這些器件為20kHz的開關(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關(guān)損耗，包括集電極到發(fā)射極的飽和電壓Vce(on)及總開關(guān)能量ETS。結(jié)果，總通態(tài)和開關(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，輸出電感器L1和L2會限制電流di/dt，從而給予控制器足夠的時間做出適當(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會帶來更高的功率損耗，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100%鉗位電感負(fù)載測試。

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，開關(guān)損耗對這些器件來說微不足道。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?；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)動器IC，以及獨(dú)立低和高側(cè)參考輸出通道所驅(qū)動。驅(qū)動器IRS2106SPBF的浮動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)動對隔離式電源的需求。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)動器的自舉電容器會在每個開關(guān)周期(50μs)更新。

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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間，開關(guān)都在對角器件配對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，每個輸出驅(qū)動器IC具備高脈沖電流緩沖級以最小化驅(qū)動器的直通。這個逆變器的另一個突出功能，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。簡單點(diǎn)來說，針對整體逆變器，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，以及擁有更簡短的物料清單。

圖3 電容器充電波形

在這個逆變器設(shè)計(jì)中，+20V電源首先用來推動微型處理器，并且管理不同的電路。有關(guān)代碼的實(shí)現(xiàn)，這個逆變器解決方案中采用的8位微型控制器PIC18F1320會為IGBT驅(qū)動器產(chǎn)生信號，由此最終提供用來驅(qū)動IGBT的信號。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)動器集成高電壓轉(zhuǎn)換和終端技術(shù)，使驅(qū)動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)動信號。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提供路徑來把電容器C2及C3充電，并且確保高側(cè)驅(qū)動器獲得正確的動力。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。

逆變器是為500W的輸出而設(shè)計(jì)，測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。這個配置獲得97.09%的效率。利用相似的配置，將逆變器改為針對200W輸出，然后再重新測量轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果顯示，在這個負(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。

簡單來說，通過把適當(dāng)?shù)母唠妷候?qū)動器與優(yōu)化了的低側(cè)和高側(cè)高電壓IGBT結(jié)合，我們在這里提到的太陽能逆變器設(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帶來任何溫度管理挑戰(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，當(dāng)輸出功率達(dá)到200W左右，溫度還會變得更低。