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優(yōu)化高電壓IGBT在高效率太陽能逆變器中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2011-02-06 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)

中心議題

  • 溝道和平面IGBT
  • 全橋功率逆變器電路

解決方案

  • DC/AC逆變器解決方案正確應(yīng)用低側(cè)和高側(cè)IGBT組合
  • 逆變器效率設(shè)計

隨著綠色電力運動勢頭不減,包括家電、照明和電動工具等應(yīng)用,以至其他工業(yè)用設(shè)備都在盡可能地利用太陽能的優(yōu)點。為了有效地滿足這些產(chǎn)品的需求,電源設(shè)計師正通過最少數(shù)量的器件、高度可靠性和耐用性,以高效率把太陽能源轉(zhuǎn)換成所需的交流或者直流電壓。

要為這些應(yīng)用以高效率生產(chǎn)所需的交流輸出電壓和電流,太陽能逆變器就需要控制、驅(qū)動器和輸出功率器件的正確組合。要達到這個目標,在這里展示了一個針對500W功率輸出進行優(yōu)化,并且擁有120V及60Hz頻率的單相正弦波的直流到交流逆變器設(shè)計。在這個設(shè)計中,有一個DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器連接到光伏電池板,為這個功率轉(zhuǎn)換器提供200V直流輸入。不過在這里沒有提供太陽能電池板的詳細資料,因為那方面不是我們討論的重點。

現(xiàn)在,市場上有不同的高級功率開關(guān),例如金屬氧化物半導(dǎo)體FET(MOSFET),雙極型三極管(BJT),以及絕綠柵雙極晶體管(IGBT)來轉(zhuǎn)換功率。然而,這個應(yīng)用要達到最高的轉(zhuǎn)換效率和性能要求,就要選擇正確的功率晶體管。

多年來的調(diào)查和分析顯示,IGBT比其他功率晶體管有更多優(yōu)點,當(dāng)中包括更高電流能力,利用電壓而非電流來進行柵極控制,以及能夠與一個超快速恢復(fù)二極管協(xié)同封裝來加快關(guān)斷速度。此外,工藝技術(shù)及器件結(jié)構(gòu)的精細改進也使IGBT的開關(guān)性能得到相當(dāng)?shù)母纳?。其他?yōu)點還包括更好的通態(tài)性能,以及擁有高度耐用性和寬安全工作區(qū)。在考慮這些質(zhì)量之后,這種功率逆變器設(shè)計就會選用高電壓IGBT,作為功率開關(guān)的必然之選。

因為這個設(shè)計所實施的逆變器拓撲屬于全橋,所以有關(guān)的太陽能逆變器采用了4個高電壓IGBT,如圖1所示。在這個電路中,Q1和Q2晶體管被指定為高側(cè)IGBT,而Q3和Q4則為低側(cè)功率器件。為了要保持總功率耗損處于低水平,但功率轉(zhuǎn)換則擁有高效率,設(shè)計師要在這個DC/AC逆變器解決方案正確應(yīng)用低側(cè)和高側(cè)IGBT組合。[page]


圖1 采用4個IGBT的逆變器設(shè)計

溝道和平面IGBT

為了要同時把諧波和功率損耗降到最低,逆變器的高側(cè)IGBT利用了脈寬調(diào)制(PWM),同時低側(cè)功率器件就用60Hz進行變化。通過把PWM頻率定在20kHz或以上操作,高側(cè)IGBT有50/60Hz調(diào)制,輸出電感器L1和L2便可以保持實際可行的較少尺寸,提供有效的諧波濾波。再者,逆變器的可聽聲也可以降到最低,因為開關(guān)頻率已經(jīng)高于人類的聽覺范圍。

我們研究過采用不同IGBT組合的各種開關(guān)技術(shù)后,認定能夠?qū)崿F(xiàn)最低功率耗損和最高逆變器性能的最好組合,是高側(cè)晶體管利用超高速溝道IGBT,而低側(cè)部分就采用標準速度的平面器件。與快速和標準速度平面器件比較,開關(guān)頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態(tài)和開關(guān)功率損耗組合。高側(cè)晶體管的開關(guān)頻率為20kHz的另外一個優(yōu)點,是輸出電感器有合理的小尺寸,同時也容易進行濾波。在低側(cè)方面,我們把標準速度平面IGBT的開關(guān)頻率定在60Hz,使功率損耗可以保持在最低的水平。

當(dāng)我們細看高電壓(600V)超高速溝道IGBT的開關(guān)性能,便會知道這些器件為20kHz的開關(guān)頻率進行了優(yōu)化。這使設(shè)計在相關(guān)的頻率下能夠保持最少的開關(guān)損耗,包括集電極到發(fā)射極的飽和電壓Vce(on)及總開關(guān)能量ETS。結(jié)果,總通態(tài)和開關(guān)功率損耗便可以維持在最低的水平。根據(jù)這一點,我們選擇了超高速溝道IGBT,例如,IRGB4062DPBF作為高側(cè)功率器件。這種超高速構(gòu)道IGBT與一個超高速軟恢復(fù)二極管采用協(xié)同封裝,進一步確保低開關(guān)耗損。

此外,這些IGBT不用要求短路額定值,因為當(dāng)逆變器的輸出出現(xiàn)短路時,輸出電感器L1和L2會限制電流di/dt,從而給予控制器足夠的時間做出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)。還有,與同樣尺寸的非短路額定IGBT比較,短路額定IGBT提供更高的Vce(on)和ETS。由于擁有更高的Vce(on)和ETS,短路額定IGBT會帶來更高的功率損耗,使功率逆變器的效率降低。

再者,超高速溝道IGBT也提供方形反向偏壓工作區(qū)、最高175℃結(jié)溫,還可承受4倍的額定電流。為了要顯示它們的耐用性,這些功率器件也經(jīng)過100%鉗位電感負載測試。
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與高側(cè)不同,通態(tài)耗損支配了低側(cè)IGBT。因為低側(cè)晶體管的工作頻率只有60Hz,開關(guān)損耗對這些器件來說微不足道。標準速度平面IGBT是特別為低頻率和較低通態(tài)耗損而設(shè)計。所以,隨著低側(cè)器件于60Hz進行開關(guān),這些IGBT要通過采用標準速度平面IGBT來達到的最低功率耗損水平。因為這些器件的開關(guān)損耗非常少,標準速度平面IGBT的總耗散并沒有受到其開關(guān)耗損所影響。基于這些考慮,標準速度IGBT IRG4BC20SD因此成為低功率器件的最好選擇。一個第四代IGBT與超高速軟恢復(fù)反向并聯(lián)二極管協(xié)同封裝,并且為最低飽和電壓和低工作頻率(<1kHz)進行優(yōu)化。在10A下的典型Vce(on)為1.4V。針對低正向降壓及反向漏電流,跨越低側(cè)IGBT的協(xié)同封裝二極管已經(jīng)優(yōu)化了,以在續(xù)流和反向恢復(fù)期間把損耗降到最低。

逆變器效率
圖2展示了系統(tǒng)層面的全橋功率逆變器電路。就如圖中所示,H橋的每一支管腳由高電流、高速柵極驅(qū)動器IC,以及獨立低和高側(cè)參考輸出通道所驅(qū)動。驅(qū)動器IRS2106SPBF的浮動通道容許自舉電源為高側(cè)功率電器件工作。因此,它免除了高側(cè)驅(qū)動對隔離式電源的需求。這有助整體系統(tǒng)去改善逆變器的效率和減少零件數(shù)目。當(dāng)電流續(xù)流到低側(cè)IGBT協(xié)同封裝二極管,這些驅(qū)動器的自舉電容器會在每個開關(guān)周期(50μs)更新。

圖2 全橋功率逆變器電路

由于高側(cè)Q1和Q2協(xié)同封裝二極管并不受續(xù)流電流影響,同時低側(cè)Q3及Q4擁有主要的通態(tài)耗損和非常少的開關(guān)耗損,整體系統(tǒng)損耗獲得最小化,而系統(tǒng)效率就得到最大化。此外,因為在任何時間,開關(guān)都在對角器件配對Q1和Q4,或者Q2和Q3上進行,所以排除了直通的可能性。同時,每個輸出驅(qū)動器IC具備高脈沖電流緩沖級以最小化驅(qū)動器的直通。這個逆變器的另一個突出功能,是它以單一直流母線供電運作。因此,排除了負直流母線的需求。簡單點來說,針對整體逆變器,以上這些安排全部都可以轉(zhuǎn)化為更高的效率和更少的零件數(shù)目。更少的零件也表示設(shè)計可以占更少的空間,以及擁有更簡短的物料清單。

在這個逆變器設(shè)計中,+20V電源首先用來推動微型處理器,并且管理不同的電路。有關(guān)代碼的實現(xiàn),這個逆變器解決方案中采用的8位微型控制器PIC18F1320會為IGBT驅(qū)動器產(chǎn)生信號,由此最終提供用來驅(qū)動IGBT的信號。以專用先進高電壓IC工藝過程 (G5 HVIC)以及鎖存免疫CMOS技術(shù)的柵極驅(qū)動器集成高電壓轉(zhuǎn)換和終端技術(shù),使驅(qū)動器能夠從微型控制器的低電壓輸入產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動信號。有關(guān)的邏輯輸入與標準CMOS或LSTTL輸出相容,邏輯電壓可低至3.3V。

超高速二極管D1和D2提供路徑來把電容器C2及C3充電,并且確保高側(cè)驅(qū)動器獲得正確的動力。圖3描繪出相關(guān)的輸出波形。如圖所示,在正輸出半周期內(nèi),高側(cè)IGBT Q1經(jīng)過正弦PWM調(diào)制,但低側(cè)Q4就保持開通狀況。同樣地,在負輸出半周期內(nèi),高側(cè)Q2經(jīng)過正弦PWM調(diào)制,而低側(cè)Q3則保持開通狀況。這種開關(guān)技術(shù)在輸出LC濾波器之后,于電容器C4的兩端提供60Hz交流正弦波。

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圖3 電容器充電波形

逆變器是為500W的輸出而設(shè)計,測量所得的交流輸出功率是480.1W,功率損耗則是14.4W。在60Hz的頻率下,交流輸出電壓有117.8V,輸出電流是4.074A。這個配置獲得97.09%的效率。利用相似的配置,將逆變器改為針對200W輸出,然后再重新測量轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果顯示,在這個負載下,交流功率為214W,功率耗損有6.0W,而在1.721A的輸出電流下,60Hz輸出電壓為124.6V。在這個功率額定值下,所得的轉(zhuǎn)換效率為97.28%。即使在較低一端的輸出功率(100W),我們也看到相似的效率性能。

簡單來說,通過把適當(dāng)?shù)母唠妷候?qū)動器與優(yōu)化了的低側(cè)和高側(cè)高電壓IGBT結(jié)合,我們在這里提到的太陽能逆變器設(shè)計,能夠在100~500W的功率輸出范圍內(nèi)持續(xù)提供高轉(zhuǎn)換效率性能。由于轉(zhuǎn)換效率非常高,所以有關(guān)的低功率損耗并不會帶來任何溫度管理挑戰(zhàn)。因此,在最高500W的輸出功率下,高側(cè)IGBT (IRGB4062DPBF) 的結(jié)溫大約80℃,比最高的特定結(jié)溫175℃要低于一半。同樣地,在一樣的功率水平下,低側(cè)IGBT (IRG4BC20SD-PBF)顯示83℃的結(jié)溫。同時,當(dāng)輸出功率達到200W左右,溫度還會變得更低。

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