浅析基于高效率太阳能逆变器的新型紧凑型功率模块设计

浅析基于高效率太阳能逆变器的新型紧凑型功率模块设计作者： 21ic 1. 引言在大多数情况下， DC-AC逆变器的拓朴是基于一个由太阳能电池直接馈电的全桥电路拓朴，如图 1 所示。图 1 具有全桥电路的太阳能逆变器然而， 当太阳能电池的电压较低或变化较大时， 在太阳能电池板后插入一个升压变换器，就能给全桥电路提供一个恒定的 DC电压，如图 2 所示。图 2 具有升压斩波器和全桥电路的太阳能逆变器全桥电路也可以简化成一个相臂与一个电容分压器的组合。但是，与全桥电路相比较，在同样的输出功率下，这个相臂必须承受 2 倍的电流。因为功率模块具有非常对称的设计，所以只要将桥式电路的 2 个相臂并联就能很容易地形成一个具有 2 倍电流容量的相臂。在本文中， 只考虑全桥电路拓朴。 系统的尺寸﹑性能﹑可靠性和成本都很重要， 但逆变器的效率是最关键的参数。 使太阳能逆变器获得可能的最高效率， 不仅是节约宝贵能量所需要的基本要求， 而且对于降低电力生产的成本也是至关重要的。 为了达到这个目标， 全桥电路需要采用单极开关 DC-AC 逆变器拓朴。为了使输出滤波器最小化，全桥的下臂开关工作在高频率， 而上臂开关则工作在输电线频率。 采用这种工作模式， 逆变器既具有高频率运行的优点，而全桥电路中又只有 2 个开关存在开关损耗，另外 2 个开关只有传导损耗 的可忽略不计。将这些功率器件集成在采用了最先进技术的扁平紧凑型封装内，为最高输出功率达 10 kW 的高功率密度和高可靠性的逆变器提供解决方案。2. 用于全桥电路解决方案的功率模块系列2 个功率模块系列专门为 2 个主 AC电网提供 600V 和 1200V 的模块， 并能满足太阳能电池的宽范围电压。为了能以一个具有竞争力的价格，为工作频率在 15 kHz~ 50 kHz的范围提供最小型紧凑的解决方案，优先采用 IGBT 技术。在高频率工作的下臂开关采用快速的 NPT IGBT器件。 而在输电线频率工作的上臂开关则采用具有最低饱和电压降的沟槽 (Trench )和场终止 ( Field stop) IGBT器件。实现全桥电路中下臂器件和上臂的低导通损耗器件的快速转换是可能的， 不过通常反相是通过给快速器件提供驱动， 并避免置于全桥下臂时的浮动位来完成的。同时， 为了提高逆变器的效率， 这类新型模块中的二极管是与功率晶体管相匹配的。 高速﹑软恢复的 Microsemi DQ 系列二极管能与上臂的 IGBT并联， 与下臂的快速的 IGBT组合，降低恢复损耗。具有低正向电压降的二极管在输出零交叉时，能够保护下臂的 IGBT。这些最新二极管的应力要远远小于其它的二极管， 已用于高频的反向恢复， 由此可以降低电流额定值，有利于减小尺寸和降低成本。建议在节省空间的紧凑型 SP1和 SP3 封装中采用 600V﹑ 30A ~100A 和 1200V﹑ 15A ~50A 的二极管，如表 1 所示。目前已能够提供采用 CoolmosTM 器件的 600V 产品，该产品可以工作在更高的开关频率，并使开关损耗和导通损耗最小化。表 1：采用 SP1和 SP3 封装的全桥模块列表3. 用于完整的升压和全桥的逆变器电路3.1 用于升压和全桥电路逆变器的单个模块当太阳能电池的电压变化很大时，用一个升压变换器给全桥电路提供一个被调整了的DC 电压 (400V~800V)是非常有道理的。 为了使整个逆变器解决方案能给出一个最强的适应性，优先选择由 2 个模块组成的套件， 其中一个模块用作升压开关， 另一个模块则用作全桥开关。因为一个完整的逆变器要使用一个升压电路级和全桥电路， 所以可能会有 2 个单独的封装，首先优化每一个封装的尺寸和性能当然是非常重要的，但是这些优化也必须适合于 2个模块的装配。为了达到这个目的，优先选择用 SOT227封装的 3KVA 模块作为升压开关和用 SP1 封装模块作为全桥的组合，如图 3 所示。SOT 227的底座是 25.4mm x 38.1mm ，而 SP1封装的底座是 40.8mm x 51.6mm 。 2 种封装的高度都是 12mm， 因此它们可以并排地安装在同一个散热器上， 并与同一个印制电路板进行联线。 SOT227提供螺丝接口端子，而 SP1则通过焊接管脚引线来进行联结。图 3a 采用 SOT227封装的升压级 (P3KW) 当输出功率大于 3KVA 时，选择 SP1封装的模块用作升压开关和 SP3 封装模块用作全桥开关的组合，是最好的解决方案，如图 4 所示。图 4a 采用 SP1封装的升压级 (P>3KW) 图 4b 采用 SP3封装的全桥电路 (P>3KW) 当达到最高输出功率时，可能输入升压级和输出全桥模块都需要采用 SP3封装。与 SP1封装的 40.8mm x 51.6mm 底座相结合， SP3占据的面积是 40.8mm x 73.4mm 。 SP1模块和 SP3模块的高度都是 12mm，而且可以用波峰焊联结在同一个印制电路板上。为了使磁性元件尤其是升压电感最小化， 升压变换器必须在高频率下工作， 其典型值是100 kHz。 对于 600V 的应用， CoolmosTM 器件能够在高频率下给出最好的性能。 目前已能够提供采用 SOT227封装的 45 mΩ 模块和采用 SP1封装的 24 mΩ 模块产品。所有这些产品中的匹配二极管都是最新的 DQ 软快恢复二极管。对于高电压的应用，如果升压级工作在高频率， 那么 MOSFET是最好的选择。 因为随着 MOSFET电压的增加，器件的导通电阻 Ron 显著增大，所以当输出功率增加时，就需要一个芯片面积大的 MOSFET器件。 目前已能够提供的升压斩波器产品是采用 SP1 封装的 180mΩ 和 300mΩ 模块，其击穿电压分别是 1000V 和1200V。为了使升压功能的成本最小化，在频率能够降低到 25 kHz 的情况下，可以用一个快速 IGBT来代替 MOSFET器件。采用 SP1封装的 1200V﹑ 50A~100A 快速 IGBT升压级可以达到该目的。表 2 给出一个升压级模块的总结。表 2a. MOSFET 和 CoolmosTM 升压级模块表 2b. IGBT升压级模块这些升压级模块能与采用 SP1和 SP3封装的全桥模块组合， 有关的全桥模块在前面的全桥模块章节中已进行过描述。器件的电压﹑电流额定值和工艺技术应该按照逆变器的输出功率和选用的开关频率来进行选择。3.2 用于升压和全桥电路逆变器的集成模块将升压级与全桥电路组合在同一个封装中， 可以使逆变器的尺寸进一步缩小。 能够提供电压为 600V 和 1200V 的 2 种产品。对应每个电压额定值， 2 个功率最小的器件是采用底座为 40.4mm x 93mm 的 SP4封装的模块 (见图 5)。 而 2 个功率最大的器件则集成在扁平的 SP6-P 封装中 (底座是 62mm x 108mm 见– 图 6)。 600V 产品中的升压级采用 CoolmosTM 晶体管制作，而 1200V 产品则为了节省空间和成本，采用快速 IGBT制作。表 3 总结了现有的升压和全桥电路集成模块。表 3: 集成升压和全桥电路的太阳能模块图 5 SP4 封装的三维图像图 6 SP6-P封装的三维图像4. 性能比较对各种各样的技术组合进行了比较， 并研究了效率随着输出功率变化的函数关系。 为了更好地测定不同快速开关的开关损耗所造成的影响，还研究了不同工作频率下的性能。为了对不同的解决方案进行合理的比较， 给出的是对应归一化输出功率 P/Pnom 的效率。为了避免任何能听得见的音频噪声， 并使磁性元件最小化， 通常快速开关运行在 20 kHz的工作频率。图 7 给出对应归一化输出功率 P/Pnom 的效率函数关系- 全桥的 4 个开关都只采用沟槽 (Trench)和场终止 ( Field stop)IGBT，- 只采用快速 NPT IGBT，- 下臂采用快速 NPT IGBT， 上臂采用低导通损耗的 IGBT器件沟槽 (Trench )和场终止 ( Field stop)IGBT 的优化组合。图 7 20 kHz 下， Trench和 Field stop, NPT 和混合 Trench/NPT 的效率曲线沟槽 (Trench )和场终止 ( Field stop)IGBT是设计用来工作频率可高达 20 kHz 的器件。 低的饱和电压 VCEsat与合理的开关时间相结合， 可以使效率达到 96%至 97%之间。 尽管快速 NPT IGBT 器件的导通损耗较高，但由于开关损耗的降低，其效率仍然能够被进一步改善。将低开关损耗的快速 IGBT和低导通损耗的沟槽 (Trench )和场终止 ( Field stop)IGBT进行组合， 工作性能比以前的组合要好大约 1%，在一个很宽的输入功率范围内，总体的效率超过 98%。为了进一步提高效率， 可以将工作频率降低到 16 kHz， 要指出的是工作频率的降低受到音频噪声的限制，而且不能影响到磁性元件的尺寸 (见图 8)。图 8 16 kHz 下， Trench和 Field stop, NPT 和混合 Trench/NPT 的效率曲线对于沟槽 (Trench )和场终止 ( Field stop)IGBT， 频率从 20 kHz降低至 16 kHz 可以获得大于97%的效率，非常接近快速 NPT IGBT的效率 98%，而混合 IGBT技术的效率高于 98%。在一些情况下， 为了进一步缩小磁性元件尤其是输出滤波器的尺寸， 就需要将工作频率提高到 50 kHz的范围。600 V 快速 NPT IGBT的关断损耗很低，完全有能力在高达 100 kHz 的频率下运行，因此在 50 kHz 的范围内，一定能够获得可接受的效率。 MOSFET器件具有更快速的开关时间，开关损耗比最快速的 NPT 器件都低。所以只要 MOSFET器件具有低的导通损耗，它们的总损耗自然也就低了。 600V CoolMOSTM 晶体管的导通电阻 RDson非常小， 因而使导通损耗最小化，而且具有快速的开关时间。图 9 50 kHz 下，快速 NPT/Trench IGBT和 CoolMOSTM / Trench 开关组合的效率曲线快速 NPT 和沟槽 (Trench)IGBT的组合使得 50 kHz 时的效率仍然高于 97%。 CoolMOSTM晶体管与沟槽 (Trench)IGBT的组合比前一种组合的效率更高。如果没有必要为了缩小逆变器的尺寸而运行在高频率时， 可以工作在 16 kHz的频率下，采用 CoolMOSTM 器件和沟槽 (Trench)IGBT的组合， 能获得最高的效率。 尽管沟槽 (Trench)IGBT和场终止 ( Field stop)IGBT 运行在低的 50Hz 电力线频率，建议使用 FREDFET器件或带有较快本征二极管的 CoolMOSTM 晶体管，使系统的 EMI 干扰最小化。太阳能逆变器的另一个重要特性是使用寿命和可靠性。 逆变器产生的 EMI/RFI 也是至关重要的。SiC二极管的重要特性是其正向电压降为零和反向恢复损耗为零，因而与标准的快速硅二极管相比，在降低开关噪声和提高性能方面具有显著的优越性。在硬开关条件下，二极管的反向恢复电流对功率开关内部的开通能量影响很大。这样，随着开关频率的增加， 在功率开关和二极管中都会产生相当数量的开通损耗。 必须要指出的是，在反向恢复期结束时，可能出现某些振荡，导致在系统中产生大量的噪声，即使使用昂贵和庞大的输入滤波器，这些噪声也是很难消除的。较快的恢复特性能够使功率开关和二极管中的开关损耗都降低很多。 SiC二极管关断时所观察到的小峰值电流是由于 Schottky 势垒器件的结电容而产生的，并不是反向恢复特性。与使用通常 FRED二极管的配置不同， 没有测量到瞬时扰动或振荡。 这样无噪声的开关运行，是缩小输入滤波器尺寸和简化它的关键所在， 并对满足严格的 EMI/RFI规定起着重大的作用。SiC器件不仅在室温具有极好的恢复特性，而且能在一个很宽的温度范围内保持不变。如图 10 所示的是一个 10A/600V Cree SiC二极管与一个具有同样电流和电压额定值的硅二极管的反向恢复特性的比较。图 10 不同结温下 SiC二极管和 Si 二极管的反向恢复特性因此使用 SiC二极管能够明显地降低一个太阳能逆变器的整体损耗， 使之能达到创纪录的效率。 因为较低的损耗也就是意味着较低的工作结温， 所以这将会明显地延长逆变器的工作寿命，这对于太阳能应用是至关重要的。基于这一点，采用一个优化的功率器件混合技术，可以得到最有效率的性能 ;低导通损耗的 IGBT工作在 50Hz, 快速开关器件工作在高频，而 SiC二极管与快速晶体管组合。将开关频率选定为最低的 16 kHz 会获得可能的最高效率，如图 13 所示。图 13 16 kHz 下， 快速 NPT/Trench IGBT和 CoolMOSTM / Trench 开关与 SiC二极管组合的效率曲线在本文中， 对散热器温度为 75° C时的不同的配置组合进行了比较。 当逆变器工作在最高环境温度时，其效率能降低 1%之多。与通常的硅器件相比较，具有卓越温度特性的 SiC二极管能增加在这些极端条件下的效率差距。使用氮化铝能够进一步改善热特性。标准模块使用了热传导性比现有的铝衬底更好的衬底。 因为功率器件具有更好的结至外壳的热阻， 所以使工作结温降低。 对于硅器件而言， 较高的结温意味着较高的导通损耗和开关损耗，而对于 SiC器件而言，仅仅导致较高的导通损耗。因此，使用氮化铝 (AlN)衬底能进一步增加太阳能逆变器的效率，并延长其工作寿命。“ COOLMOS? 是由 Infineon Technologies AG 开发的一个新的晶体管系列， “ COOLMOS”是 Infineon Technologies AG”的注册商标。5. 结论本文阐述了为了使现代的太阳能逆变器能达到高效率的目标， 在一个先进的全桥配置中组合低导通损耗和快速的功率器件技术是关键。Microsemi 功率产品部能提供各种各样的专用功率模块， 这些模块采用在本文中描述的所有各种功率器件技术来集成电路拓朴。 所有列出的产品都能提供使用 FRED二极管的模块，也能提供为改善性能而使用 SiC二极管的模块。 这些产品的特点是具有一个能与散热器进行极好热传导的基板， 因此进一步提高了太阳能逆变器先进工艺技术的性能﹑质量和可靠性水平。在不久的将来即可提供 SiC开关器件， MOSFET或 IGBT，因而能获得好于 99%的效率，达到技术上所能实现的最大值。