mosfet逆变器结构

摘要： 无论单相还是三相光伏逆变器， 无功补偿目前已经是设计中的一个基本要求。 本文着重介绍了一种采用硅 MOSFET 来实现无功补偿的拓扑，并且该拓扑具有很高的切换频率和转换效率，为光伏逆变器效率的提升和体积的减小提供了一种新的思路。Abstract:Whatever single phaseor three phases solar inverter,reactive power capability is one of the basic design requirements. This artic leintends to introduce a new topology, whichuses SiliconMOSFET to realize reactive power. It has high switching frequency and efficiency, which provides a new method to get higher efficiency and smalle rsize. 关键词：无功补偿高效率 MOSFET 光伏逆变器一、引言对于光伏逆变器而言， 高效率一直是众多厂家追求的目标， 也是衡量逆变器性能最重要的一项指标。目前大多数逆变器拓扑中采用的都是 IGBT 器件，一个主要原因就是 IGBT 在双极性调制下可以轻松的实现无功补偿的功能，而 MOSFET 体二极管的高频特性很差，损耗很高，导致无法在普通逆变拓扑中采用 MOSFET 来实现无功补偿。如果采用 IGBT，又会带来以下一些影响。 IGBT 由于开关速度较慢，相比普通硅 MOSFET 器件，具有较大的开关损耗，这样一方面开关频率很难得到较大提升，一般推荐在 20KHz 一下；另一方面，损耗较大，效率也相对 MOSFET 有一定差距。如果采用 MOSFET，为了匹配 MOSFET 较高的切换频率，一般采用单电源供电的驱动方式。 但是由于担忧米勒效应的存在， 使得单电源驱动又面临较大的风险。 虽然目前存在多种有效的方法， 比如说在栅极和发射极之间安装一个米勒箝位或增加一个电容器。 遗憾的是，这些方法都无法完全解决问题， 有着这样那样的缺陷。 Vincotech 推出了一种创新的拓扑 ——分离输出，采用 MOSFET 来实现无功补偿的同时，也可以完全避免米勒效应。二、分离输出拓扑原理及仿真分析图 1 是适用于单相光伏逆变器的 Vincotech 模块， 该模块最大的特点是逆变器同一桥臂采用了分离输出的方式。两个旁路二极管和电池板直接相连，而配备分离输出功能的 H 桥则连接到电网端，同一桥臂则分成一个 MOSFET 和一个外部二极管相连。同时该模块的针脚采用低寄生电感布局， 这样有利于避免过电压击穿的问题， 从而使你的驱动电路配置相对简单。由于采用了 MOSFET，这种拓扑它的工作频率也可以高达 30KHz 以上。这种拓扑有两个明显的优点：.有效抑制米勒效应.解耦 MOSFET 体二极管图 1： H 桥分离输出的模块接下来我们详细的看一下这种拓扑的工作方式以及它是如何实现上述两大优点的。图 2 是传统的 H 桥的输出滤波器设计，采用 LCL 的滤波方式。在这种 H 桥中，为了获得最好的输出效果，采用双极性的调制方式。上文已经提到，由于采用 MOSFET，双极性切换时无法进行无功补偿，所以我们可以把图 2 所示的拓扑演化成图 3，采用同一磁芯上绕 4个电感来进行滤波，这样就可以把同一桥臂解耦开，即实现分离输出。图 2：传统 H 桥输出滤波器图 3: 4 滤波电感实现分离输出实现分离输出的最主要目的为了进一步屏蔽 MOSFET 体二极管，原因主要就是不让高频无功电流流过， 从而迫使无功电流流过外部所加的反向特性很好的二极管， 比如 SiC 二极管。这样 MOSFET 在实现无功补偿的同时，由于体二极管没有反向恢复损耗，损耗大大降低。 为了实现这一功能， 图 3 所示的拓扑可以进一步演化成图 4， 采用图 3 中 2 个分开的主滤波电感再匹配 2 个独立的小电感来实现。图 4：采用 2 个独立小电感 +2 个输出滤波主电感到这里为止， 该拓扑就可以在双极性调制下进行很好的工作， 2 个独立小电感主要有两个作用：一是用来屏蔽 MOSFET 体二极管，二是为了抑制米勒效应，防止在采用单电源供电的时候上下管直通。这种拓扑同一桥臂的死区时间可以参考普通 H 桥的死区时间。我们以正半周为例，来分析一下整个工作过程。过程 1： MOS3 、 MOS2 开通，电感电流为正。电流回路： DC+ → MOS3 → 10uH → 1mH → 10uH → MOS2- → DC- 过程 2：死区时间，所有的 MOSFET 都关断，电感电流续流。电流回路： 1mH → 10uH → SiC2→ DC+ → DC- → SiC3→ 10uH. 在这一过程中，需要注意的是 MOS4 的体二极管由于下桥 10uH 小电感的存在，被完全屏蔽了。原因是因为在过程 1 到过程 2 的切换中，下桥 10uH 小电感上的电动势突变（楞次定律），由过程 1 的左负右正突变成左正右负，我们把这个电动势叫做 Ls V 。如果 Ls F V -V 的值保持为正， 那也就意味着 MOS4 的体二极管承受正的反向电压， 那么体二极管就无法导通。这里 F V 表示 SiC2 的导通压降， Ls V 和图 4 中小电感的感值有关。为了保证可以充分屏蔽体二极管，感值不能太小。过程 3: MOS3 、 MOS2 关断， MOS4 、 MOS1 开通，电感电流为正。此时需要注意会有三条回路存在。主电流回路和过程 2 一样： 1mH → 10uH → SiC2→ DC+ → DC- → SiC3→ 10uH. 次电流回路就是两个 10uH 小电感本身的续流回路。10uH → SiC2-MOS4 10uH → MOS1 → SiC3 这两条回路的电流主要取决是拓扑中 2 个小电感的感值和回路阻抗，一般来讲，为了使这个环路电流尽可能的小，图 4 中小电感的取值不宜过大。结合过程 2 中提到的小电感感值的要求，一般推荐在 10~100uH 之间。同时由于 10uH 小电感的存在， MOS4 、 MOS1 开通，整个母线电压并不会直接加在 MOS2 、 MOS3 上，而是中间串联了 10uH 小电感。这样 MOS2 、 MOS3 上的电压上升率 dv/dt 就比较缓，从而避免米勒效应。过程 4： MOS3 、 MOS2 开通，电感电流为负。由于外部 10uH 的小电感的存在， MOS3 的体二极管的结电容被解耦掉，也就屏蔽了体二极管。电流回路： 1mH → SiC1→ DC+ → DC- → SiC4. 过程 5：所有 MOS 关断，电感电流为负。电流回路： 1mH → SiC1→ DC+ → DC- → SiC4. 过程 6： MOS3 、 MOS2 关断， MOS4 、 MOS1 开通，电感电流为负。电流回路： DC+ → MOS4-1mH-MOS1 → DC-. 负半周的分析和正半周一样，读者可以自己分析。以下是对图 4 拓扑做的仿真，通过仿真波形，我们可以清楚的看到 MOS 中的电流无论在有功还是无功的时候， 都是正向的， 没有电流流过体二极管， 这样就可以利用硅 MOSFET 来进行无功补偿。另外一种类似的拓扑是在三电平的输出端进行分离，主要适用于三相的光伏逆变器。同样，采用分离输出之后， 也可以使用 MOSFET 实现无功补偿的同时获得很高的转换效率。 图 5 是Vincotech 公司推荐的基于硅 MOSFET 技术的高效率三电平模块，最高转换效率在开关频率 32KHz 时， 仍高达 99% 。 如图 6 所示。 它的工作原理和刚才提到的单相模块是完全一样的。图 6： Vincotech 分离输出三电平模块效率曲线三、结论综上， Vincotech 推出了一种全新的采用 MOSFET 技术的功率模块。它在实现无功补偿的同时，也可以在高频（ >30KHz ）切换时获得很高的效率。并且由于采用普通硅器件，相比目前采用 SiC JFET 或者 SiC MOSFET 来获得高达 99% 的转换效率，它具有极高的性价比。这种拓扑势必在今后高性能光伏逆变器中会有广泛的应用。