一種用于高效率太陽能逆變器的新型緊湊型功率模塊系列

在大多數(shù)情況下，DC-AC逆變器的拓樸是基于一個(gè)由太陽能電池直接饋電的全橋電路拓樸，如圖１所示。

圖１ 具有全橋電路的太陽能逆變器

然而，當(dāng)太陽能電池的電壓較低或變化較大時(shí)，在太陽能電池板后插入一個(gè)升壓變換器，就能給全橋電路提供一個(gè)恒定的DC電壓，如圖2所示。

圖2 具有升壓斬波器和全橋電路的太陽能逆變器

全橋電路也可以簡(jiǎn)化成一個(gè)相臂與一個(gè)電容分壓器的組合。但是，與全橋電路相比較，在同樣的輸出功率下，這個(gè)相臂必須承受2倍的電流。因?yàn)?strong>功率模塊具有非常對(duì)稱的設(shè)計(jì)，所以只要將橋式電路的2個(gè)相臂并聯(lián)就能很容易地形成一個(gè)具有2倍電流容量的相臂。

在本文中，只考慮全橋電路拓樸。系統(tǒng)的尺寸﹑性能﹑可靠性和成本都很重要，但逆變器的效率是最關(guān)鍵的參數(shù)。使太陽能逆變器獲得可能的最高效率，不僅是節(jié)約寶貴能量所需要的基本要求，而且對(duì)于降低電力生產(chǎn)的成本也是至關(guān)重要的。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，全橋電路需要采用單極開關(guān)DC－AC逆變器拓樸。為了使輸出濾波器最小化，全橋的下臂開關(guān)工作在高頻率，而上臂開關(guān)則工作在輸電線頻率。采用這種工作模式，逆變器既具有高頻率運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，而全橋電路中又只有2個(gè)開關(guān)存在開關(guān)損耗，另外2個(gè)開關(guān)只有傳導(dǎo)損耗 的可忽略不計(jì)。

將這些功率器件集成在采用了最先進(jìn)技術(shù)的扁平緊湊型封裝內(nèi)，為最高輸出功率達(dá)10 kW的高功率密度和高可靠性的逆變器提供解決方案。

2. 用于全橋電路解決方案的功率模塊系列

2個(gè)功率模塊系列專門為2個(gè)主AC電網(wǎng)提供600V和1200V的模塊，并能滿足太陽能電池的寬范圍電壓。為了能以一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，為工作頻率在15 kHz~ 50 kHz的范圍提供最小型緊湊的解決方案，優(yōu)先采用IGBT技術(shù)。在高頻率工作的下臂開關(guān)采用快速的NPT IGBT器件。而在輸電線頻率工作的上臂開關(guān)則采用具有最低飽和電壓降的溝槽（Trench ）和場(chǎng)終止（ Field stop） IGBT器件。實(shí)現(xiàn)全橋電路中下臂器件和上臂的低導(dǎo)通損耗器件的快速轉(zhuǎn)換是可能的，不過通常反相是通過給快速器件提供驅(qū)動(dòng)，并避免置于全橋下臂時(shí)的浮動(dòng)位來完成的。

同時(shí)，為了提高逆變器的效率，這類新型模塊中的二極管是與功率晶體管相匹配的。高速﹑軟恢復(fù)的Microsemi DQ系列二極管能與上臂的IGBT并聯(lián)，與下臂的快速的IGBT組合，降低恢復(fù)損耗。具有低正向電壓降的二極管在輸出零交叉時(shí)，能夠保護(hù)下臂的IGBT。這些最新二極管的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它的二極管，已用于高頻的反向恢復(fù)，由此可以降低電流額定值，有利于減小尺寸和降低成本。建議在節(jié)省空間的緊湊型SP1和SP3封裝中采用600V﹑30A ~100A和1200V﹑15A ~50A 的二極管，如表1所示。

目前已能夠提供采用CoolmosTM 器件的600V產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以工作在更高的開關(guān)頻率，并使開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗最小化。

表1：采用SP1和SP3 封裝的全橋模塊列表

3. 用于完整的升壓和全橋的逆變器電路

3.1  用于升壓和全橋電路逆變器的單個(gè)模塊

當(dāng)太陽能電池的電壓變化很大時(shí)，用一個(gè)升壓變換器給全橋電路提供一個(gè)被調(diào)整了的DC 電壓(400V~800V)是非常有道理的。為了使整個(gè)逆變器解決方案能給出一個(gè)最強(qiáng)的適應(yīng)性，優(yōu)先選擇由2個(gè)模塊組成的套件，其中一個(gè)模塊用作升壓開關(guān)，另一個(gè)模塊則用作全橋開關(guān)。
因?yàn)橐粋€(gè)完整的逆變器要使用一個(gè)升壓電路級(jí)和全橋電路，所以可能會(huì)有２個(gè)單獨(dú)的封裝，首先優(yōu)化每一個(gè)封裝的尺寸和性能當(dāng)然是非常重要的，但是這些優(yōu)化也必須適合于２個(gè)模塊的裝配。
為了達(dá)到這個(gè)目的，優(yōu)先選擇用SOT227封裝的3KVA模塊作為升壓開關(guān)和用SP1封裝模塊作為全橋的組合，如圖３所示。
SOT 227的底座是25.4mm x 38.1mm，而SP1封裝的底座是40.8mm x 51.6mm。２種封裝的高度都是12mm，因此它們可以并排地安裝在同一個(gè)散熱器上，并與同一個(gè)印制電路板進(jìn)行聯(lián)線。SOT227提供螺絲接口端子，而SP1則通過焊接管腳引線來進(jìn)行聯(lián)結(jié)。

圖3a  采用SOT227封裝的升壓級(jí) (P<3KW)

Fig.3b  采用SP1封裝的全橋電路 (P>3KW)

當(dāng)輸出功率大于3KVA時(shí)，選擇SP1封裝的模塊用作升壓開關(guān)和SP3封裝模塊用作全橋開關(guān)的組合，是最好的解決方案，如圖4所示。

圖4a采用SP1封裝的升壓級(jí) (P>3KW)

圖4b采用SP3封裝的全橋電路 (P>3KW)

當(dāng)達(dá)到最高輸出功率時(shí)，可能輸入升壓級(jí)和輸出全橋模塊都需要采用SP3封裝。

與SP1封裝的40.8mm x 51.6mm底座相結(jié)合，SP3占據(jù)的面積是40.8mm x 73.4mm。SP1模塊和SP3模塊的高度都是12mm，而且可以用波峰焊聯(lián)結(jié)在同一個(gè)印制電路板上。

為了使磁性元件尤其是升壓電感最小化，升壓變換器必須在高頻率下工作，其典型值是100 kHz。對(duì)于600V的應(yīng)用，CoolmosTM器件能夠在高頻率下給出最好的性能。目前已能夠提供采用SOT227封裝的45 mΩ模塊和采用SP1封裝的24 mΩ模塊產(chǎn)品。所有這些產(chǎn)品中的匹配二極管都是最新的DQ軟快恢復(fù)二極管。對(duì)于高電壓的應(yīng)用，如果升壓級(jí)工作在高頻率，那么MOSFET是最好的選擇。因?yàn)殡S著MOSFET電壓的增加，器件的導(dǎo)通電阻Ron顯著增大，所以當(dāng)輸出功率增加時(shí)，就需要一個(gè)芯片面積大的MOSFET器件。目前已能夠提供的升壓斬波器產(chǎn)品是采用SP1封裝的180mΩ和300mΩ模塊，其擊穿電壓分別是1000V和1200V。為了使升壓功能的成本最小化，在頻率能夠降低到25 kHz的情況下，可以用一個(gè)快速IGBT來代替MOSFET器件。采用SP1封裝的1200V﹑50A~100A快速 IGBT升壓級(jí)可以達(dá)到該目的。

表2給出一個(gè)升壓級(jí)模塊的總結(jié)。

表2a. MOSFET 和CoolmosTM 升壓級(jí)模塊

表2b. IGBT升壓級(jí)模塊

這些升壓級(jí)模塊能與采用SP1和SP3封裝的全橋模塊組合，有關(guān)的全橋模塊在前面的全橋模塊章節(jié)中已進(jìn)行過描述。
器件的電壓﹑電流額定值和工藝技術(shù)應(yīng)該按照逆變器的輸出功率和選用的開關(guān)頻率來進(jìn)行選擇。

3.2  用于升壓和全橋電路逆變器的集成模塊

將升壓級(jí)與全橋電路組合在同一個(gè)封裝中，可以使逆變器的尺寸進(jìn)一步縮小。能夠提供電壓為600V和1200V的2種產(chǎn)品。對(duì)應(yīng)每個(gè)電壓額定值，2個(gè)功率最小的器件是采用底座為40.4mm x 93mm 的SP4封裝的模塊（見圖5）。而2個(gè)功率最大的器件則集成在扁平的SP6-P 封裝中(底座是62mm x 108mm見– 圖6)。600V產(chǎn)品中的升壓級(jí)采用CoolmosTM晶體管制作，而1200V產(chǎn)品則為了節(jié)省空間和成本，采用快速IGBT制作。表3 總結(jié)了現(xiàn)有的升壓和全橋電路集成模塊。

表3: 集成升壓和全橋電路的太陽能模塊

圖5  SP4 封裝的三維圖像

圖6  SP6-P封裝的三維圖像

4. 性能比較

對(duì)各種各樣的技術(shù)組合進(jìn)行了比較，并研究了效率隨著輸出功率變化的函數(shù)關(guān)系。為了更好地測(cè)定不同快速開關(guān)的開關(guān)損耗所造成的影響，還研究了不同工作頻率下的性能。

為了對(duì)不同的解決方案進(jìn)行合理的比較，給出的是對(duì)應(yīng)歸一化輸出功率P/Pnom的效率。

為了避免任何能聽得見的音頻噪聲，并使磁性元件最小化，通?？焖匍_關(guān)運(yùn)行在20 kHz的工作頻率。

圖7給出對(duì)應(yīng)歸一化輸出功率P/Pnom的效率函數(shù)關(guān)系

- 全橋的4個(gè)開關(guān)都只采用溝槽（Trench）和場(chǎng)終止（ Field stop）IGBT，

- 只采用快速 NPT IGBT，

- 下臂采用快速NPT IGBT，上臂采用低導(dǎo)通損耗的IGBT器件溝槽（Trench ）和場(chǎng)終止（ Field stop）IGBT的優(yōu)化組合。

圖7  20 kHz下，Trench和Field stop, NPT 和混合Trench/NPT 的效率曲線

溝槽（Trench ）和場(chǎng)終止（ Field stop）IGBT是設(shè)計(jì)用來工作頻率可高達(dá)20 kHz的器件。低的飽和電壓VCEsat與合理的開關(guān)時(shí)間相結(jié)合，可以使效率達(dá)到96%至97%之間。盡管快速NPT IGBT器件的導(dǎo)通損耗較高，但由于開關(guān)損耗的降低，其效率仍然能夠被進(jìn)一步改善。將低開關(guān)損耗的快速IGBT和低導(dǎo)通損耗的溝槽（Trench ）和場(chǎng)終止（ Field stop）IGBT進(jìn)行組合，工作性能比以前的組合要好大約1%，在一個(gè)很寬的輸入功率范圍內(nèi)，總體的效率超過98%。

為了進(jìn)一步提高效率，可以將工作頻率降低到16 kHz，要指出的是工作頻率的降低受到音頻噪聲的限制，而且不能影響到磁性元件的尺寸(見圖8)。

圖8 16 kHz下，Trench和Field stop, NPT 和混合Trench/NPT 的效率曲線

對(duì)于溝槽（Trench ）和場(chǎng)終止（ Field stop）IGBT，頻率從20 kHz降低至16 kHz 可以獲得大于97%的效率，非常接近快速NPT IGBT的效率98%，而混合IGBT技術(shù)的效率高于98%。

在一些情況下，為了進(jìn)一步縮小磁性元件尤其是輸出濾波器的尺寸，就需要將工作頻率提高到50 kHz的范圍。

600 V快速NPT IGBT的關(guān)斷損耗很低，完全有能力在高達(dá)100 kHz的頻率下運(yùn)行，因此在50 kHz的范圍內(nèi)，一定能夠獲得可接受的效率。MOSFET器件具有更快速的開關(guān)時(shí)間，開關(guān)損耗比最快速的NPT器件都低。所以只要MOSFET器件具有低的導(dǎo)通損耗，它們的總損耗自然也就低了。600V CoolMOSTM 晶體管的導(dǎo)通電阻RDson非常小，因而使導(dǎo)通損耗最小化，而且具有快速的開關(guān)時(shí)間。

圖9  50 kHz下，快速NPT/Trench IGBT和 CoolMOSTM / Trench開關(guān)組合的效率曲線

快速NPT和溝槽（Trench）IGBT的組合使得50 kHz時(shí)的效率仍然高于97%。CoolMOSTM晶體管與溝槽（Trench）IGBT的組合比前一種組合的效率更高。

如果沒有必要為了縮小逆變器的尺寸而運(yùn)行在高頻率時(shí)，可以工作在16 kHz的頻率下，采用CoolMOSTM器件和溝槽（Trench）IGBT的組合，能獲得最高的效率。盡管溝槽（Trench）IGBT和場(chǎng)終止（ Field stop）IGBT運(yùn)行在低的50Hz電力線頻率，建議使用FREDFET器件或帶有較快本征二極管的CoolMOSTM晶體管，使系統(tǒng)的EMI干擾最小化。

太陽能逆變器的另一個(gè)重要特性是使用壽命和可靠性。逆變器產(chǎn)生的EMI/RFI也是至關(guān)重要的。

SiC二極管的重要特性是其正向電壓降為零和反向恢復(fù)損耗為零，因而與標(biāo)準(zhǔn)的快速硅二極管相比，在降低開關(guān)噪聲和提高性能方面具有顯著的優(yōu)越性。

在硬開關(guān)條件下，二極管的反向恢復(fù)電流對(duì)功率開關(guān)內(nèi)部的開通能量影響很大。這樣，隨著開關(guān)頻率的增加，在功率開關(guān)和二極管中都會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的開通損耗。必須要指出的是，在反向恢復(fù)期結(jié)束時(shí)，可能出現(xiàn)某些振蕩，導(dǎo)致在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的噪聲，即使使用昂貴和龐大的輸入濾波器，這些噪聲也是很難消除的。

較快的恢復(fù)特性能夠使功率開關(guān)和二極管中的開關(guān)損耗都降低很多。SiC二極管關(guān)斷時(shí)所觀察到的小峰值電流是由于Schottky勢(shì)壘器件的結(jié)電容而產(chǎn)生的，并不是反向恢復(fù)特性。與使用通常FRED二極管的配置不同，沒有測(cè)量到瞬時(shí)擾動(dòng)或振蕩。這樣無噪聲的開關(guān)運(yùn)行，是縮小輸入濾波器尺寸和簡(jiǎn)化它的關(guān)鍵所在，并對(duì)滿足嚴(yán)格的EMI/RFI規(guī)定起著重大的作用。

SiC器件不僅在室溫具有極好的恢復(fù)特性，而且能在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)保持不變。如圖10 所示的是一個(gè)10A/600V Cree SiC二極管與一個(gè)具有同樣電流和電壓額定值的硅二極管的反向恢復(fù)特性的比較。

圖10 不同結(jié)溫下SiC二極管和Si 二極管的反向恢復(fù)特性

因此使用SiC二極管能夠明顯地降低一個(gè)太陽能逆變器的整體損耗，使之能達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的效率。因?yàn)檩^低的損耗也就是意味著較低的工作結(jié)溫，所以這將會(huì)明顯地延長(zhǎng)逆變器的工作壽命，這對(duì)于太陽能應(yīng)用是至關(guān)重要的。

基于這一點(diǎn)，采用一個(gè)優(yōu)化的功率器件混合技術(shù)，可以得到最有效率的性能；低導(dǎo)通損耗的IGBT工作在50Hz, 快速開關(guān)器件工作在高頻，而SiC二極管與快速晶體管組合。

將開關(guān)頻率選定為最低的16 kHz會(huì)獲得可能的最高效率，如圖13所示。

圖13   16 kHz下，快速NPT/Trench IGBT和 CoolMOSTM / Trench開關(guān)與SiC二極管組合的效率曲線

在本文中，對(duì)散熱器溫度為75°C時(shí)的不同的配置組合進(jìn)行了比較。當(dāng)逆變器工作在最高環(huán)境溫度時(shí)，其效率能降低1%之多。與通常的硅器件相比較，具有卓越溫度特性的SiC二極管能增加在這些極端條件下的效率差距。使用氮化鋁能夠進(jìn)一步改善熱特性。

標(biāo)準(zhǔn)模塊使用了熱傳導(dǎo)性比現(xiàn)有的鋁襯底更好的襯底。因?yàn)楣β势骷哂懈玫慕Y(jié)至外殼的熱阻，所以使工作結(jié)溫降低。對(duì)于硅器件而言，較高的結(jié)溫意味著較高的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，而對(duì)于SiC器件而言，僅僅導(dǎo)致較高的導(dǎo)通損耗。因此，使用氮化鋁（AlN）襯底能進(jìn)一步增加太陽能逆變器的效率，并延長(zhǎng)其工作壽命。

“COOLMOS™ 是由Infineon Technologies AG開發(fā)的一個(gè)新的晶體管系列，“COOLMOS”是Infineon Technologies AG”的注冊(cè)商標(biāo)。

5. 結(jié)論

本文闡述了為了使現(xiàn)代的太陽能逆變器能達(dá)到高效率的目標(biāo)，在一個(gè)先進(jìn)的全橋配置中組合低導(dǎo)通損耗和快速的功率器件技術(shù)是關(guān)鍵。

Microsemi 功率產(chǎn)品部能提供各種各樣的專用功率模塊，這些模塊采用在本文中描述的所有各種功率器件技術(shù)來集成電路拓樸。所有列出的產(chǎn)品都能提供使用FRED二極管的模塊，也能提供為改善性能而使用SiC二極管的模塊。這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是具有一個(gè)能與散熱器進(jìn)行極好熱傳導(dǎo)的基板，因此進(jìn)一步提高了太陽能逆變器先進(jìn)工藝技術(shù)的性能﹑質(zhì)量和可靠性水平。

在不久的將來即可提供SiC開關(guān)器件，MOSFET或IGBT，因而能獲得好于99%的效率，達(dá)到技術(shù)上所能實(shí)現(xiàn)的最大值。