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 (Vce(on)) 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 Vce(on) 。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 Vce(on) ，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 Vce(on) 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。