【導讀】對太陽能逆變器來說，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能比其他功率元件提供更多的效益，包括高載流能力、以電壓而非電流進行控制，并能使逆并聯二極管與IGBT配合。本文將介紹如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT，使太陽能應用的功耗降至最低。
對于太陽能逆變器來說，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、以電壓而非電流進行控制，并能使逆并聯二極管與IGBT配合。本文將介紹如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT，使太陽能應用的功耗降至最低。
太陽能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池板的直流電壓轉換為交流電壓來驅動家用電器、照明及電機工具等交流負載。如圖1所示，太陽能逆變器的典型架構一般采用四個開關的全橋拓撲。
圖1：采用全橋拓撲的典型太陽能逆變器架構
在圖1中，Q1和Q3被指定為高壓側IGBT，Q2和Q4則是低壓側IGBT。該逆變器用于在其目標市場的頻率和電壓條件下，產生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計量效益電網的住宅安裝，這就是其中一個目標應用市場，此項應用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓電力可注入電網中。
為滿足這個要求，IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下，對50Hz或60Hz的頻率進行脈寬調制，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，由于其轉換頻率高出人類的正常聽覺頻譜，因此該設計也可盡量減少逆變器產生的可聽噪聲。
脈寬調制這些IGBT的最佳方法是什么？怎樣才能把功耗降到最低呢？方法之一是僅對高壓側IGBT進行脈寬調制，對應的低壓側IGBT以50Hz或60Hz換相。圖2所示為一個典型的柵壓信號。當Q1正進行脈寬調制時，Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關斷。到了負半周期，當Q3進行脈寬調制時，Q2保持開啟狀態。Q1和Q4會在負半周期關斷。圖2也顯示了通過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。
圖2：為Q1至Q4IGBT提供的柵極驅動信號，以及經過L1-C1-L2濾波器之后的輸出AC正弦電壓
此變換技術具有以下優點：(1)電流不會在高壓側反并二極管上自由流動，因此可把不必要的損耗低至最低；(2)低壓側IGBT只會在50Hz或60Hz工頻進行切換，主要是導通損耗；(3)由于同一相上的IGBT絕對不會以互補的方式進行轉換，所以不可能出現總線短路擊穿情況；(4)可優化低壓 側IGBT的反并聯二極管，以盡量減低續流和反向恢復導致的損耗。
IGBT技術
IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結構的雙極型晶體管(BJT)。這種設計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控制開關。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時，IGBT亦如BJT一樣是一種少數載體元件。這意味著IGBT關閉的速度是由少數載體復合的速度快慢來決定。此外，IGBT的關閉時間與它的集極-射極飽和電壓(Vce(on))成反比(如圖3所示)。
圖3：關閉時間與Vce（on）成反比
以圖3為例，若IGBT擁有相同的體積和技術，一個超速IGBT比一個標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on) 。然而，超速IGBT的關閉速度卻比標準IGBT快得多。圖3反映的這種關系，是通過控制IGBT的少數載體復合率的使用周期以影響關閉時間來實現的。
圖4顯示了四個擁有相同尺寸的IGBT的參數值。前三個IGBT采用同樣的平面式技術，但使用不同的壽命復合控制計量。從表中可見，標準速度的IGBT具有最低Vce(on)，但與快速和超速平面式IGBT相比，標準速度的IGBT下降時間最慢。第四個IGBT是經優化的槽柵IGBT，能夠為太陽能逆變器這類高頻率切換應用提供低導通和開關損耗。請注意，槽柵IGBT的Vce(on)和總切換損耗 (Ets)比超速平面式IGBT低。
圖4：采用不同速度和技術的IGBT的參數比較
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高壓側IGBT
前文討論了高壓側IGBT在20kHz或以上頻率進行切換。假設設計一個擁有230V交流輸出的1.5kW太陽能逆變器，圖4中哪種IGBT具有最低的功耗呢？圖5顯示了IGBT在20kHz進行切換的功耗分析，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。
圖5：高壓側IGBT在20kHz下的功耗
在20kHz下，開關損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時，標準速度IGBT的導通損耗雖然最低，但其開關損耗卻最大，并不適合充當高壓側IGBT。
最新的600V槽柵IGBT專為20kHz的切換進行了優化。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，為了讓太陽能逆變器的設計能夠達到最高效率，槽柵IGBT是高壓側IGBT的首選元件。
低壓側IGBT
低壓側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只會進行50Hz或60Hz切換，如圖6所示，標準速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標準IGBT會帶來一些開關損耗，但數值并不足以影響IGBT的總功耗。事實上，最新的槽柵IGBT仍然擁有較高的功耗，因為這一代的槽柵IGBT專門針對高頻率應用而設計，以平衡開關和導通損耗為目標。因此，對低壓側IGBT來說，標準速度平面式IGBT仍然是必然選擇。
圖6：低壓側IGBT在60Hz情況下的功耗
本文分析了太陽能逆變器應用的全橋拓撲。這種拓撲利用正弦脈寬調制技術，在高于20kHz情況下，為高壓側IGBT 進行轉換。支線的低壓側IGBT決于輸出頻率要求，在50Hz或60Hz進行轉換。若挑選最新的600V槽柵IGBT，其總功耗將會在20kHz下達到最 低。在低壓側IGBT方面，標準速度平面式IGBT是最佳選擇。標準速度IGBT在50Hz或60Hz下擁有最低的導通損耗，其開關損耗對整體功耗來說微 不足道。因此，工程師只要正確選擇IGBT組合， 就能將太陽能逆變器應用的功耗降至最低，從而實現高能效設計。
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