如何正确地为光伏逆变器应用选择IGBT

如何正确地为光伏逆变器应用选择 IGBT北极星太阳能光伏网讯 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 Vceon 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 Vceon 。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 Vceon ，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 Vceon 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。