高效率光伏逆变器应用的创新拓扑介绍

高效率光伏逆变器应用的创新拓扑介绍Innovative Topologies for High Efficient Solar Applications Michael Frisch Vincotech Germany Erno Temesi Vincotech Hungary 吴鼎 Vincotech China 韩军 Vincotech China 摘要： 由于太阳能电池板效率瓶颈的存在，人们对于光伏太阳能逆变器效率是特别的关注，效率已经是光伏太阳能逆变器最重要的衡量指标。本文详细介绍了一种高效光伏逆变器拓扑，并针对此拓扑介绍 Vincotech 公司的太阳能专用模块以及通用的驱动设计。关键词： 高效率 光伏逆变器 功率器件 驱动电路Abstract: Because of the bottleneck of the photovoltaic panel ’ s efficiency, people pay more attention to the efficiency of solar inverters. Efficiency is the most important factor of solar inverters. This article describes a high efficient topology of solar inverters, the unique power modules of Vincotech for solar inverters and the design of drive circuit. 一 前言由于厂家都朝着高效率的目标赛跑， 在发展新兴的电力电子变换产品中， 高效率拓扑越来越多的被人们拿来考虑。 先进的、 且有严格效率要求的功率模块技术的应用， 使得一些老的众所周知的想法重焕新生。在这片文章中，详细介绍了适用于新型光伏逆变器的MOSFET-IGBT 并联技术及其采用这种技术的功率模块。大家知道， MOSFET 相对于 IGBT ，无论轻载还是重载都具有较小的开关损耗。在导通损耗方面， MOSFET 轻载时导通损耗较小，重载时较大；而 IGBT 则刚还相反。 基于以上原因， MOSFET 和 IGBT 的结合，将带来两个方面的基本改善。重载的时候，开关损耗集中在MOSFET 上，导通损耗集中在 IGBT 上；轻载的时候，开关和导通损耗都集中在 MOSFET上。 （图 1）图 1： MOSFET-IGBT 并联开关对于 MOSFET-IGBT 并联开关，它的工作原理其实十分简单。 MOSFET 先开通，后关断，这样整个开关损耗都将集中在 MOSFET 上。 （图 2）导通损耗方面，轻载的时候，由于MOSFET Rds(on) 较小， MOSFET 承受大部分电流；反之重载的时候， IGBT 承受大部分电流。在轻载的时候，由于 IGBT 没有完全导通，在整个功率段内拖尾电流损耗都可以有效的去除。因此，采用这种拓扑，使得提升整个功率段效率以及最大效率成为可能。图 2： MOSFET-IGBT 并联开关工作示意图二 门极驱动设计刚才我们提到 MOSFET-IGBT 并联开关工作的基本原理，对于这样的时序控制，以下几种不同的驱动可以采用。1. 两路独立的驱动信号分别驱动 MOSFET 和 IGBT 此种电路采用具有两路独立驱动的 IC 来做驱动电路，常用的可以采用 IXDN402 。它具有最大的灵活性和最优的驱动效果。 通过控制 MOSFET 关断时的延时， 可以发掘出这种开关的最大效率优势。它的缺点也是显而易见，电路复杂，成本较高。2. 单一驱动信号分出两路独立回路分别驱动 MOSFET 和 IGBT( 图 3) 此种电路从驱动 IC 单一输出端分出两路独立的驱动电路，通过调节驱动电阻阻值的大小，来实现 MOSFET 先开通，后关断。图 3：单一驱动器分出两路独立驱动回路3. 单一驱动器且单路门极直接连接驱动 MOSFET 和 IGBT （图 4）IGBT MOSFET 这种办法可以通过以下图 3 的驱动电路来实现。 MOSFET 的门极驱动电路有的集成在模块内部，它相比于图 3 中的独立驱动回路电路，动态响应会稍差一点。图 4：单一驱动器且单路门极连接驱动 MOSFET 和 IGBT 4. 直接连接采用直接连接的驱动方式也是可能的。采用标准的门极驱动电路，只能有效的减少开通损耗，并不能有效减少关断损耗。不过这也可以明显的降低总的开关损耗。为了减小关断损耗，可以采用三电平的门极驱动信号，并且采用门极开启电压较高的 IGBT 器件。 IGBT 在驱动信号的第二级电平出现的时候关断，这样在门极驱动电压从第二级电平到 0V 之前， MOSFET 将承受功率回路电流。 此种设想的引入条件是 IGBT 和 MOSFET具有相对较大的门极开启电压容差。三 创新拓扑的设想MOSFET-IGBT 并联开关想法适合于所有以 IGBT 和 MOSFET 为功率器件的拓扑中。针对 IGBT 的拓扑，它有明显的开关损耗；而针对 MOSFET 的拓扑，它又具有明显的静态导通损耗。所有，采用这种 MOSFET-IGBT 并联开关，对于效率的改善具有重要的意义。对于光伏逆变器，人们可能对以下拓扑更感兴趣。图 5 是广泛应用于 5Kw 以内的非隔离型光伏逆变器拓扑。其中的 MOSFET 就可以采用 MOSFET-IGBT 并联开关来替代。这种拓扑它的优点就是电路简单、器件较少，缺点是当采用单极性调制时有共模漏电流的问题。图 5：并联开关 Booster + 并联开关全桥逆变当然， 针对功率在 7Kw 以上， 且母线电压高于 600V 的光伏逆变器应用， NPC 三电平拓扑将会起着重要的作用。一个案例是下面提到的这种 NPC 拓扑， Vincotech 公司已经成熟的将这种方案封装到模块中。如图 6. 图 6： NPC 拓扑集成在 Vincotech P969F 系列模块中无功补偿采用 1200V 的二极管来实现，原因是 MOSFET 内部二极管的特性不能承载大的无功电流。 内管 IGBT 的反并二极管上串联一个高压二极管， 是为了防止 MOSFET关断时由于寄生电容而产生反向的充电电流流过 IGBT 反并二极管。我们可以通过一些对比来看一下 MOSFET-IGBT 并联开关在效率方面的优势。首先来看一下和图 7 所示的外管采用 MOSFET 的 NPC 拓扑的效率对比。图 8 是采用这两种不同的拓扑，在 10Kw 的输出能力时的一个效率曲线，开关频率是 16KHz ，图中的实线是代表图 7 所示的 P965F，虚线代表的是图 6 所示的 P969F，即 MOSFET-IGBT 并联开关拓扑。图 7：外管采用 MOSFET 的 NPC 拓扑， Vincotech 型号 P965F。图 8： P965F 和 P969F 效率对比从图中可以看到，在输出大约 3Kw 以内时， P965F 效率稍有优势，但是对于 10Kw以内的整个功率段， P969F 优势非常明显。在满载时， P969F 比 P965F 效率高 0.7%，这意味着 P969F 满载损耗相对 P965F 降低 33%， 客户端可以使用更小面积的散热器， 减小逆变器体积的同时降低成本。另外，对于欧效， P969F 大约比 P965F 高 0.31%，这也是不小的改善。我们再来看一下 MOSFET-IGBT 并联开关 NPC 拓扑， 相对于传统采用标准 IGBT 的NPC 拓扑的效率对比。标准 IGBT 的 NPC 拓扑如图 9 所示。图 10 是两者在不同工作频率下效率的曲线，实线代表 P926-L33 ，虚线代表 P969F。图 9：标准 IGBT 的 NPC 拓扑， Vincotech 型号 P926-L33 。图 10： P926 和 P969F 的效率对比从图 10 可以看出：在工作频率 16KHz ，输出 10Kw 满载时， P969F 比 P926 高大约0.5%；轻载时 P969F 效率比 P926 更有明显的优势。而且我们进一步发现， P926 即标准IGBT 的 NPC 拓扑，它随着频率的增加效率下降非常厉害，而 P969F 即 MOSFET-IGBT并联开关，它的效率对频率的改变不是特别灵敏。这就是为什么 P969F 可以适用在高频化的场合并具有很高的欧效的原因。大家知道，当开关频率提高后，可以带来输出滤波器体积和成本的降低，并且有利于输出波形性能指标的优化，这对于逆变器厂家来说是不错的选择。除了以上提到的 NPC 型拓扑，接下来另外一种创新的 mixed-NPC 拓扑，使用更高电压等级的 MOSFET-IGBT 并联开关，同样有着更好的效率表现。如图 11.这种拓扑在较高的功率等级时效率大于 99%。由于中性点钳位，可以充分利用 MOSFET ，几乎可以工作到其反向击穿电压。 这种拓扑由于 MOSFET 体二极管的特性限制了它的无功补偿能力。图 11：采用高压 MOSFET-IGBT 并联开关的 mixed-NPC 拓扑为了克服上述拓扑无功补偿的能力的不足， 可以采用图 12 变通的 mixed-NPC 拓扑。当然，拓扑中的中性点钳位的开关可以采用 MOSFET ，也可以是 IGBT 。图 12：具有无功补偿的高压 MOSFET-IGBT 并联开关的 mixed-NPC 拓扑另外， 对于 10~30Kw 的中功率段光伏逆变器， 它的前级 Boost 拓扑中的功率器件如MOSFET 同样的可以采用 MOSFET-IGBT 并联开关来替代。如图 13. 图 13 ： 采 用 MOSFET-IGBT 并 联 开 关 的 对 称 Boost 拓 扑 ， Vincotech 型 号FZ06NBA084FP10-M306L38. 四 结论采用 MOSFET-IGBT 并联开关技术，使得光伏逆变器在整个功率段内几乎获得最高的恒定效率成为可能。 这种众所周知的并联开关技术开发背后， 是大量复杂的半导体技术的选择、门极驱动技术的选择以及对于分立器件 layout 带来的杂散电感的优化技术的依靠。 有了高性能的功率模块， 使得光伏逆变器的实现变得更加的经济。 支持以上这些想法的功率模块， 有些已经是我们公司标准的产品， 有些可以进行客户定制。 至于未来的无功补偿功能， 我们也已经集成在同一模块中。参考文献1. Soft-Switching of IGBTs with the help of MOSFETs in Bridge-Type Converters, Yimin Jiang, Guihao Hua, Eric Yang and Fred C.Lee 2. High Frequency Power switch-Improved Performance by MOSFETs and IGBTs Connected in Parallel, Klaus F.Hoffmann, Jens Peter Kiist 3. High Speed Complementary Drive of a Hybrid MOSFET and IGBT Power Switch, Jens Peter Kiist, Klaus F.Hoffmann 4. A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter(1981), Akira Nabae, Isao Takahashi, Hirofumi Akagi 5. Innovative Topologies for High Efficient Solar Applications, Michael Frisch and Temesi Erno, Vincotech Germany and Hungary 作者介绍：Michael Frisch Technical Marketing Manager Vincotech Germany Erno Temesi Application Manager Vincotech Hungary 吴鼎 Field Application Engineer Vincotech Asia Pacific Sales Center电话： 0755-26815736Email: ding.wu@vincotech.com地址：深圳市南山区蛇口工业区沿山路 28 号威科电子邮编： 518067 韩军 Sales Supervisor Vincotech Asia Pacific Sales Center 电话： 0755-26679073Email: Jeason.han@vincotech.com地址：深圳市南山区蛇口工业区沿山路 28 号威科电子邮编： 518067