如何正确地为太阳能逆变器应用选择IGBT———如何正确地为太阳能

如今市场上先进功率元件的种类数不胜数，工程人员要为一项应用选择到合适的功率元件，的确是一项艰巨的工作。就以太阳能逆变器应用来说，绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 能比其他功率元件提供更多的效益，其中包括高载流能力、以电压而非电流进行控制，并能使逆并联二极管与IGBT配合。本文将介绍如果利用全桥逆变器拓扑及选用合适的IGBT，使太阳能应用的功耗降至最低。
   太阳能逆变器是一种功率电子电路，能把太阳能电池板的直流电压转换为交流电压来驱动家用电器、照明及电机工具等交流负载。如图1所示，太阳能逆变器的典型架构一般采用四个开关的全桥拓扑。
   
   
  
   在图1中， Q1 和Q3被指定为高压侧IGBT，Q2 和Q4 则是低压侧 IGBT。该逆变器用于在其目标市场的频率和电压条件下，产生单相位正弦电压波形。有些逆变器用于连接净计量效益电网的住宅安装，这就是其中一个目标应用市场，此项应用要求逆变器提供低谐波交流正弦电压，让电力可注入电网中。
   为满足这个要求，IGBT可在20kHz或以上频率的情况下，对50Hz或60Hz的频率进行脉宽调制，因此输出电感器L1和L2便可以保持合理的小巧体积，并能有效抑制谐波。此外，由于其转换频率高出人类的正常听觉频谱，因此该设计也可尽量减少逆变器产生的可听噪声。
   脉宽调制这些IGBT的最佳方法是什么？怎样才能把功耗降到最低呢？方法之一是仅对高压侧IGBT进行脉宽调制，对应的低压侧IGBT以50Hz或60Hz 换相。图2所示为一个典型的栅压信号。当Q1 正进行脉宽调制时，Q4维持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持关断。到了负半周期，当Q3进行脉宽调制时，Q2保持开启状态。Q1和Q4会在负半周期关断。图2 也显示了通过输出滤波电容器C1的AC正弦电压波形。
   
   此变换技术具有以下优点：(1)电流不会在高压侧反并二极管上自由流动，因此可把不必要的损耗低至最低。(2)低压侧IGBT只会在50Hz或60Hz工频进行切换，主要是导通损耗。(3)由于同一相上的IGBT绝对不会以互补的方式进行转换，所以不可能出现总线短路击穿情况。(4)可优化低压侧IGBT的反并联二极管，以尽量减低续流和反向恢复导致的损耗。
   IGBT技术
   IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构的双极型晶体管 (BJT) 。这种设计让IGBT的栅极可以像MOSFET一样，以电压代替电流来控制开关。作为一种BJT，IGBT的电流处理能力比MOSFET更高。同时，IGBT亦如BJT一样是一种少数载体元件。这意味着IGBT关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来决定。此外，IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压 (Vce(on)) 成反比(如图3所示)。
   
   以图3为例，若IGBT拥有相同的体积和技术，一个超速IGBT比一个标准速度的IGBT拥有更高的Vce(on) 。然而，超速IGBT的关闭速度却比标准IGBT快得多。图3反映的这种关系，是通过控制IGBT的少数载体复合率的使用周期以影响关闭时间来实现的。
   表 1显示了四个拥有相同尺寸的IGBT的参数值。前三个IGBT采用同样的平面式技术，但使用不同的寿命复合控制计量。从表中可见，标准速度的IGBT具有最低Vce(on) ，但与快速和超速平面式IGBT相比，标准速度的IGBT下降时间最慢。第四个IGBT是经优化的槽栅IGBT，能够为太阳能逆变器这类高频率切换应用提供低导通和开关损耗。请注意，槽栅IGBT的Vce(on) 和总切换损耗 (Ets) 比超速平面式IGBT低。
   
  高压侧IGBT
   前文讨论了高压侧 IGBT在20kHz或以上频率进行切换。假设设计一个拥有230V交流输出的1.5kW 太阳能逆变器，表1中哪种IGBT具有最低的功耗呢？图4显示了IGBT在20kHz进行切换的功耗分析，由此可见超速平面式IGBT比其它两种平面式 IGBT具有更低的总功耗。
   
   在20kHz下，开关损耗明显成为总功耗的重要部分。同时，标准速度IGBT的导通损耗虽然最低，但其开关损耗却最大，并不适合充当高压侧IGBT。
   最新的600V 槽栅IGBT 专为20kHz的切换进行了优化。如图五所示，这种IGBT比以往的平面式IGBT提供较低的总功耗。因此，为了让太阳能逆变器的设计能够达到最高效率，槽栅IGBT是高压侧IGBT的首选元件。
   低压侧IGBT
   低压侧IGBT同样有同一问题。究竟哪一种IGBT才能提供最低的功耗？由于这些IGBT只会进行50Hz或60Hz切换，如图5所示，标准速度IGBT可提供最低的功耗。虽然标准IGBT会带来一些开关损耗，但数值并不足以影响IGBT的总功耗。事实上，最新的槽栅IGBT仍然拥有较高的功耗，因为这一代的槽栅IGBT专门针对高频率应用而设计，以平衡开关和导通损耗为目标。因此，对低压侧IGBT来说，标准速度平面式IGBT仍然是必然选择。
   
   本文小结
   本文分析了太阳能逆变器应用的全桥拓扑。这种拓扑利用正弦脉宽调制技术，在高于20kHz情况下，为高压侧IGBT 进行转换。支线的低压侧IGBT决于输出频率要求，在50Hz或60Hz进行转换。若挑选最新的600V槽栅IGBT，其总功耗将会在20kHz下达到最低。在低压侧IGBT方面，标准速度平面式IGBT是最佳选择。标准速度IGBT在50Hz或60Hz下拥有最低的导通损耗，其开关损耗对整体功耗来说微不足道。因此，工程师只要正确选择IGBT组合， 就能将太阳能逆变器应用的功耗降至最低。