优化高电压IGBT造就高效率太阳能逆变器(20180813175950)

优化高电压 IGBT 造就高效率太阳能逆变器随着绿色电力运动势头不减，包括家电、照明和电动工具等应用，以至其他工业用设备都在尽可能地利用太阳能的优点。为了有效地满足这些产品的需求，电源设计师正通过最少数量的器件、高度可靠性和耐用性，以高效率把太阳能源转换成所需的交流或者直流电压。要为这些应用以高效率生产所需的交流输出电压和电流，太阳能逆变器就需要控制、驱动器和输出功率器件的正确组合。要达到这个目标，在这里展示了一个针对 500W 功率输出进行优化，并且拥有 120V 及60Hz 频率的单相正弦波的直流到交流逆变器设计。在这个设计中，有一个 DC/DC 电压转换器连接到光伏电池板，为这个功率转换器提供 200V 直流输入。不过在这里没有提供太阳能电池板的详细资料，因为那方面不是我们讨论的重点。现在，市场上有不同的高级功率开关，例如金属氧化物半导体 FET(MOSFET) ，双极型三极管 (BJT) ，以及绝绿栅双极晶体管 (IGBT) 来转换功率。然而，这个应用要达到最高的转换效率和性能要求，就要选择正确的功率晶体管。多年来的调查和分析显示， IGBT 比其他功率晶体管有更多优点，当中包括更高电流能力，利用电压而非电流来进行栅极控制，以及能够与一个超快速恢复二极管协同封装来加快关断速度。此外，工艺技术及器件结构的精细改进也使 IGBT 的开关性能得到相当的改善。其他优点还包括更好的通态性能，以及拥有高度耐用性和宽安全工作区。在考虑这些质量之后，这种功率逆变器设计就会选用高电压 IGBT ，作为功率开关的必然之选。因为这个设计所实施的逆变器拓扑属于全桥，所以有关的太阳能逆变器采用了 4 个高电压 IGBT ，如图 1所示。在这个电路中， Q1 和 Q2 晶体管被指定为高侧 IGBT ，而 Q3 和 Q4 则为低侧功率器件。为了要保持总功率耗损处于低水平，但功率转换则拥有高效率，设计师要在这个 DC/AC 逆变器解决方案正确应用低侧和高侧 IGBT 组合。图 1 采用 4 个 IGBT 的逆变器设计沟道和平面 IGBT为了要同时把谐波和功率损耗降到最低，逆变器的高侧 IGBT 利用了脉宽调制 (PWM) ，同时低侧功率器件就用 60Hz 进行变化。通过把 PWM 频率定在 20kHz 或以上操作，高侧 IGBT 有 50/60Hz 调制，输出电感器 L1 和 L2 便可以保持实际可行的较少尺寸，提供有效的谐波滤波。再者，逆变器的可听声也可以降到最低，因为开关频率已经高于人类的听觉范围。我们研究过采用不同 IGBT 组合的各种开关技术后，认定能够实现最低功率耗损和最高逆变器性能的最好组合，是高侧晶体管利用超高速沟道 IGBT ，而低侧部分就采用标准速度的平面器件。与快速和标准速度平面器件比较， 开关频率在 20kHz 的超高速沟道 IGBT 提供最低的总通态和开关功率损耗组合。 高侧晶体管的开关频率为 20kHz 的另外一个优点， 是输出电感器有合理的小尺寸， 同时也容易进行滤波。 在低侧方面，我们把标准速度平面 IGBT 的开关频率定在 60Hz ，使功率损耗可以保持在最低的水平。当我们细看高电压 (600V) 超高速沟道 IGBT 的开关性能，便会知道这些器件为 20kHz 的开关频率进行了优化。这使设计在相关的频率下能够保持最少的开关损耗，包括集电极到发射极的饱和电压 Vce(on) 及总开关能量 ETS 。结果，总通态和开关功率损耗便可以维持在最低的水平。根据这一点，我们选择了超高速沟道 IGBT ，例如， IRGB4062DPBF 作为高侧功率器件。这种超高速构道 IGBT 与一个超高速软恢复二极管采用协同封装，进一步确保低开关耗损。此外，这些 IGBT 不用要求短路额定值，因为当逆变器的输出出现短路时，输出电感器 L1 和 L2 会限制电流 di/dt ， 从而给予控制器足够的时间做出适当的回应。 还有， 与同样尺寸的非短路额定 IGBT 比较， 短路额定 IGBT 提供更高的 Vce(on) 和 ETS 。由于拥有更高的 Vce(on) 和 ETS ，短路额定 IGBT 会带来更高的功率损耗，使功率逆变器的效率降低。再者，超高速沟道 IGBT 也提供方形反向偏压工作区、最高 175 ℃ 结温，还可承受 4 倍的额定电流。为了要显示它们的耐用性，这些功率器件也经过 100% 钳位电感负载测试。与高侧不同， 通态耗损支配了低侧 IGBT 。 因为低侧晶体管的工作频率只有 60Hz ， 开关损耗对这些器件来说微不足道。标准速度平面 IGBT 是特别为低频率和较低通态耗损而设计。所以，随着低侧器件于 60Hz进行开关，这些 IGBT 要通过采用标准速度平面 IGBT 来达到的最低功率耗损水平。因为这些器件的开关损耗非常少， 标准速度平面 IGBT 的总耗散并没有受到其开关耗损所影响。 基于这些考虑， 标准速度 IGBT IRG4BC20SD 因此成为低功率器件的最好选择。一个第四代 IGBT 与超高速软恢复反向并联二极管协同封装，并且为最低饱和电压和低工作频率 (<1kHz) 进行优化。在 10A 下的典型 Vce(on) 为 1.4V 。针对低正向降压及反向漏电流，跨越低侧 IGBT 的协同封装二极管已经优化了，以在续流和反向恢复期间把损耗降到最低。逆变器效率图 2 展示了系统层面的全桥功率逆变器电路。就如图中所示， H 桥的每一支管脚由高电流、高速栅极驱动器 IC ，以及独立低和高侧参考输出通道所驱动。驱动器 IRS2106SPBF 的浮动通道容许自举电源为高侧功率电器件工作。因此，它免除了高侧驱动对隔离式电源的需求。这有助整体系统去改善逆变器的效率和减少零件数目。当电流续流到低侧 IGBT 协同封装二极管，这些驱动器的自举电容器会在每个开关周期(50 μ s) 更新。图 2 全桥功率逆变器电路由于高侧 Q1 和 Q2 协同封装二极管并不受续流电流影响，同时低侧 Q3 及 Q4 拥有主要的通态耗损和非常少的开关耗损，整体系统损耗获得最小化，而系统效率就得到最大化。此外，因为在任何时间，开关都在对角器件配对 Q1 和 Q4 ， 或者 Q2 和 Q3 上进行， 所以排除了直通的可能性。 同时， 每个输出驱动器 IC具备高脉冲电流缓冲级以最小化驱动器的直通。这个逆变器的另一个突出功能，是它以单一直流母线供电运作。因此，排除了负直流母线的需求。简单点来说，针对整体逆变器，以上这些安排全部都可以转化为更高的效率和更少的零件数目。更少的零件也表示设计可以占更少的空间，以及拥有更简短的物料清单。在这个逆变器设计中， +20V 电源首先用来推动微型处理器，并且管理不同的电路。有关代码的实现，这个逆变器解决方案中采用的 8 位微型控制器 PIC18F1320 会为 IGBT 驱动器产生信号，由此最终提供用来驱动 IGBT 的信号。以专用先进高电压 IC 工艺过程 (G5 HVIC) 以及锁存免疫 CMOS 技术的栅极驱动器集成高电压转换和终端技术，使驱动器能够从微型控制器的低电压输入产生适当的栅极驱动信号。有关的逻辑输入与标准 CMOS 或 LSTTL 输出相容，逻辑电压可低至 3.3V 。超高速二极管 D1 和 D2 提供路径来把电容器 C2 及 C3 充电，并且确保高侧驱动器获得正确的动力。图 3描绘出相关的输出波形。如图所示，在正输出半周期内，高侧 IGBT Q1 经过正弦 PWM 调制，但低侧 Q4就保持开通状况。同样地，在负输出半周期内，高侧 Q2 经过正弦 PWM 调制，而低侧 Q3 则保持开通状况。这种开关技术在输出 LC 滤波器之后，于电容器 C4 的两端提供 60Hz 交流正弦波。图 3 电容器充电波形逆变器是为 500W 的输出而设计， 测量所得的交流输出功率是 480.1W ， 功率损耗则是 14.4W 。 在 60Hz的频率下，交流输出电压有 117.8V ，输出电流是 4.074A 。这个配置获得 97.09% 的效率。利用相似的配置，将逆变器改为针对 200W 输出，然后再重新测量转换效率。结果显示，在这个负载下，交流功率为214W ，功率耗损有 6.0W ，而在 1.721A 的输出电流下， 60Hz 输出电压为 124.6V 。在这个功率额定值下，所得的转换效率为 97.28% 。即使在较低一端的输出功率 (100W) ，我们也看到相似的效率性能。简单来说，通过把适当的高电压驱动器与优化了的低侧和高侧高电压 IGBT 结合，我们在这里提到的太阳能逆变器设计，能够在 100 ～ 500W 的功率输出范围内持续提供高转换效率性能。由于转换效率非常高，所以有关的低功率损耗并不会带来任何温度管理挑战。因此，在最高 500W 的输出功率下，高侧 IGBT (IRGB4062DPBF) 的结温大约 80 ℃ ，比最高的特定结温 175 ℃ 要低于一半。同样地，在一样的功率水平下，低侧 IGBT (IRG4BC20SD-PBF) 显示 83 ℃ 的结温。同时，当输出功率达到 200W 左右，温度还会变得更低。