采用優(yōu)化高電壓IGBT設計高效率太陽能逆變器
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要為這些應用以高效率生產(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。要達到這個目標，在這里展示了一個針對500W功率輸出進行優(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計。在這個設計中，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資料，因為那方面不是我們討論的重點。
現(xiàn)在，市場上有不同的高級功率開關，例如金屬氧化物半導體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，這個應用要達到最高的轉(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，當中包括更高電流能力，利用電壓而非電流來進行柵極控制，以及能夠與一個超快速恢復二極管協(xié)同封裝來加快關斷速度。此外，工藝技術及器件結(jié)構(gòu)的精細改進也使IGBT的開關性能得到相當?shù)母纳?。其他?yōu)點還包括更好的通態(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，這種功率逆變器設計就會選用高電壓IGBT，作為功率開關的必然之選。
因為這個設計所實施的逆變器拓撲屬于全橋，所以有關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，設計師要在這個DC/AC逆變器解決方案正確應用低側(cè)和高側(cè)IGBT組合。
圖1 采用4個IGBT的逆變器設計
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，因為開關頻率已經(jīng)高于人類的聽覺范圍。
我們研究過采用不同IGBT組合的各種開關技術后，認定能夠?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)部分就采用標準速度的平面器件。與快速和標準速度平面器件比較，開關頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態(tài)和開關功率損耗組合。高側(cè)晶體管的開關頻率為20kHz的另外一個優(yōu)點，是輸出電感器有合理的小尺寸，同時也容易進行濾波。在低側(cè)方面，我們把標準速度平面IGBT的開關頻率定在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
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