中心議題：

• 討論如何為太陽(yáng)能逆變器應用選擇IGBT
• 如何選擇到合適的功率元件

解決方案：

• 利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT
• 使太陽(yáng)能應用的功耗降至最低

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如今市場(chǎng)上先進(jìn)功率元件的種類(lèi)數不勝數，工程人員要為一項應用選擇到合適的功率元件，的確是一項艱巨的工作。就以太陽(yáng)能逆變器應用來(lái)說(shuō)，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(jìn)行控制，并能使逆并聯(lián)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(yáng)能應用的功耗降至最低。 太陽(yáng)能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽(yáng)能電池板的直流電壓轉換為交流電壓來(lái)驅動(dòng)家用電器、照明及電機工具等交流負載。如圖1所示，太陽(yáng)能逆變器的典型架構一般采用四個(gè)開(kāi)關(guān)的全橋拓撲。

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(chǎng)的頻率和電壓條件下，產(chǎn)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(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個(gè)目標應用市場(chǎng)，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(wǎng)中

為滿(mǎn)足這個(gè)要求，IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下，對50Hz或60Hz的頻率進(jìn)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(lèi)的正常聽(tīng)覺(jué)頻譜，因此該設計也可盡量減少逆變器產(chǎn)生的可聽(tīng)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(jìn)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(gè)典型的柵壓信號。當Q1 正進(jìn)行脈寬調制時(shí)，Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關(guān)斷 。到了負半周期，當Q3進(jìn)行脈寬調制時(shí)，Q2保持開(kāi)啟狀態(tài)。Q1和Q4會(huì )在負半周期關(guān)斷。圖2 也顯示了通過(guò)輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。 此變換技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電流不會(huì )在高壓側反并二極管上自由流動(dòng)，因此可把不必要的損耗低至最低。(2)低壓側IGBT只會(huì )在50Hz或60Hz工頻進(jìn)行切換，主要是導通損耗。(3)由于同一相上的IGBT絕對不會(huì )以互補的方式進(jìn)行轉換，所以不可能出現總線(xiàn)短路擊穿情況。(4)可優(yōu)化低壓側IGBT的反并聯(lián)二極管，以盡量減低續流和反向恢復導致的損耗。
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IGBT技術(shù)

IGBT基本上是具備金屬門(mén)氧化物門(mén)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(lái)控制開(kāi)關(guān)。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時(shí)，IGBT亦如BJT一樣是一種少數載體元件。這意味著(zhù) IGBT關(guān)閉的速度是由少數載體復合的速度快慢來(lái)決定。此外，IGBT的關(guān)閉時(shí)間與它的集極-射極飽和電壓 (Vce(on)) 成反比(如圖3所示)。 以圖3為例，若IGBT擁有相同的體積和技術(shù)，一個(gè)超速I(mǎi)GBT比一個(gè)標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on) 。然而，超速I(mǎi)GBT的關(guān)閉速度卻比標準IGBT快得多。圖3反映的這種關(guān)系，是通過(guò)控制IGBT的少數載體復合率的使用周期以影響關(guān)閉時(shí)間來(lái)實(shí)現的。

表1顯示了四個(gè)擁有相同尺寸的IGBT的參數值。前三個(gè)IGBT采用同樣的平面式技術(shù)，但使用不同的壽命復合控制計量。從表中可見(jiàn)，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(shí)間最慢。第四個(gè)IGBT是經(jīng)優(yōu)化的槽柵IGBT，能夠為太陽(yáng)能逆變器這類(lèi)高頻率切換應用提供低導通和開(kāi)關(guān)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。  

高壓側IGBT

前文討論了高壓側 IGBT在20kHz或以上頻率進(jìn)行切換。假設設計一個(gè)擁有230V交流輸出的1.5kW 太陽(yáng)能逆變器，表1中哪種IGBT具有最低的功耗呢？圖4顯示了IGBT在20kHz進(jìn)行切換的功耗分析，由此可見(jiàn)超速平面式IGBT比其它兩種平面式 IGBT具有更低的總功耗。
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在20kHz下，開(kāi)關(guān)損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時(shí)，標準速度IGBT的導通損耗雖然最低，但其開(kāi)關(guān)損耗卻最大，并不適合充當高壓側IGBT。
 

最新的600V 槽柵IGBT 專(zhuān)為20kHz的切換進(jìn)行了優(yōu)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(yáng)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(wèn)題。究竟哪一種IGBT才能提供最低的功耗？由于這些IGBT只會(huì )進(jìn)行 50Hz或60Hz切換，如圖5所示，標準速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標準IGBT會(huì )帶來(lái)一些開(kāi)關(guān)損耗，但數值并不足以影響IGBT的總功耗。事實(shí)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(zhuān)門(mén)針對高頻率應用而設計，以平衡開(kāi)關(guān)和導通損耗為目標。因此，對低壓側IGBT 來(lái)說(shuō)，標準速度平面式IGBT仍然是必然選擇。

本文小結

本文分析了太陽(yáng)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(shù)，在高于20kHz情況下，為高壓側IGBT 進(jìn)行轉換。支線(xiàn)的低壓側IGBT決于輸出頻率要求，在50Hz或60Hz進(jìn)行轉換。若挑選最新的600V槽柵IGBT，其總功耗將會(huì )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?lián)碛凶畹偷膶〒p耗，其開(kāi)關(guān)損耗對整體功耗來(lái)說(shuō)微不足道。因此，工程師只要正確選擇IGBT組合， 就能將太陽(yáng)能逆變器應用的功耗降至最低。