采用IGBT作為功率開關(guān)的500W太陽能逆變器設(shè)計(jì)

在全球綠色能源發(fā)展趨勢下，越來越多家用的電器、照明設(shè)備、電動工具、不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、大功率充電機(jī)、蓄電池充電機(jī)、高頻大功率充放電機(jī)以及其它工業(yè)設(shè)備開始采用太陽能供電，將太陽能量轉(zhuǎn)換為所需的交流(AC)或直流(DC)電壓。

為高效率地產(chǎn)生這些設(shè)備所需的電壓和電流，電源逆變器需要正確地組合控制器、驅(qū)動器和輸出功率器件。本文討論的這款直流到交流逆變器設(shè)計(jì)，專門針對500W功率、120V和60Hz頻率的單相正弦波輸出進(jìn)行了優(yōu)化。這個設(shè)計(jì)的200V直流輸入可以由與太陽能陣列電池板相連的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。

針對這類應(yīng)用有各種先進(jìn)的功率器件可以使用，比如MOSFET、雙極結(jié)晶體管(BJT)和IGBT。然而，為取得最佳的轉(zhuǎn)換效率和性能，為這種太陽能逆變器選擇正確的功率晶體管極具挑戰(zhàn)性，而且非常耗時。

多年來的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的優(yōu)勢，其中包括更強(qiáng)的電流處理能力、用電壓(而不是電流)方便地實(shí)現(xiàn)柵極控制，以及在封裝內(nèi)集成超快速恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)更快的關(guān)斷時間。

IGBT是一種少數(shù)載流子器件，它的關(guān)斷時間取決于少數(shù)載流子重新組合的速度，因此，隨著最近工藝技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，它的開關(guān)特性已得到顯著增強(qiáng)。另外，IGBT具有超高導(dǎo)通性能和較寬的安全工作區(qū)(SOA)，工作非常穩(wěn)定?；谶@些基本優(yōu)勢，本文介紹的這個電源逆變器選用IGBT作為功率開關(guān)。

由于大功率充電機(jī)、蓄電池充電機(jī)、高頻大功率充放電機(jī)、電源逆變器一般采用全橋拓?fù)?，因此這個太陽能逆變器設(shè)計(jì)采用了4個高壓IGBT(圖1)。晶體管Q1和Q2用作高壓端IGBT，Q3和Q4用作低壓端功率器件。為保持低的總功率損耗低和高的電源轉(zhuǎn)換效率，這個DC/DC逆變器解決方案利用低壓端和高壓端IGBT產(chǎn)生頻率為60Hz的單相交流純正弦波形。本文作者編寫的另外一篇文章還介紹了如何為這種太陽能逆變器應(yīng)用正確選用高壓IGBT。

開關(guān)型IGBT

實(shí)質(zhì)上，為保持諧波分量低和功率損耗最小，逆變器的高壓端IGBT采用脈寬調(diào)制(PWM)，低壓端IGBT則以60Hz頻率變換電流方向。通過讓高壓端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM頻率和50/60Hz調(diào)制方案，輸出電感L1和L2在實(shí)例中可以做得很小，并且照樣能對諧波分量進(jìn)行高效濾波。此外，來自逆變器的可聞噪聲也很小，因?yàn)殚_關(guān)頻率高于人耳聽覺頻率。

比較各種開關(guān)技術(shù)和IGBT的發(fā)現(xiàn)，獲得最低功率損耗和最高逆變器性能的最佳組合是高壓端晶體管使用超快速溝道型IGBT，低壓端晶體管使用標(biāo)準(zhǔn)速度的平面工藝IGBT(圖2)。

與快速和標(biāo)準(zhǔn)速度的平面器件相比，開關(guān)速度為20kHz的超快速溝道型IGBT可以提供最低的總導(dǎo)通損耗和開關(guān)功率損耗。同樣，對于低壓端開關(guān)電路，工作在60Hz的標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT可以提供最低的功率損耗。

研究高壓(600V)超快速溝道型IGBT的開關(guān)特性可以清楚地發(fā)現(xiàn)，這些器件工作在20kHz時具有最佳性能。這些器件在這些頻率點(diǎn)可以提供最小的開關(guān)損耗，包括更低的集電極到發(fā)射極飽和電壓(VCE(on))和總開關(guān)能量(ETS)，從而使總導(dǎo)通損耗和開關(guān)功率損耗保持最小。因此，高壓端功率器件通常選用超快速溝道型IGBT，如IRGB4062DPBF。

事實(shí)上，為進(jìn)一步降低開關(guān)功率損耗，IRGB4062DPBF在同一封裝內(nèi)還集成了一個超快速軟恢復(fù)二極管。高壓端晶體管的開關(guān)頻率選在20kHz的另一個好處是輸出電感可以做得很小，使諧波分量的濾除非常容易。此外，這些IGBT不要求短路率，因?yàn)楫?dāng)逆變器輸出短路時，輸出電感L1和L2將限制電流di/dt，從而給控制器留出足夠的反應(yīng)時間。

此外，有短路率要求的IGBT可以比相同尺寸的無短路率IGBT提供更高的VCE(on)和更高的ETS。這樣，有短路率要求的IGBT的功率損耗會更大，從而降低電源逆變器的效率。

除了能在相同封裝內(nèi)提供更低導(dǎo)通和開關(guān)損耗、更大的電流密度外，超快速溝道型IGBT可以提供正方形反向偏置工作區(qū)和175°的最大結(jié)點(diǎn)溫度，并能承受4倍的額定電流。

與高壓端器件不同，導(dǎo)通損耗是低壓端IGBT的主要因素。因?yàn)榈蛪憾司w管的工作頻率只有60Hz，所以這些器件的開關(guān)損耗不是很明顯。標(biāo)準(zhǔn)速度的平面IGBT是專門針對低頻率和低導(dǎo)通損耗優(yōu)化了的器件。因此當(dāng)?shù)蛪憾似骷_關(guān)頻率為60Hz時，這些低壓端器件可以使用標(biāo)準(zhǔn)速度的平面IGBT實(shí)現(xiàn)最低功率損耗。

由于這些器件的開關(guān)損耗不大，所以不會影響標(biāo)準(zhǔn)速度平面IGBT的總功率損耗。因此，標(biāo)準(zhǔn)速度IGBT IRG4BC20SD是低壓端功率器件的正確選擇。

封裝內(nèi)集成了超快速、軟恢復(fù)、反平行二極管的第四代IGBT，針對最小飽和電壓與低工作頻率(<1kHz)作了優(yōu)化，典型的VCE(on)在電流為10A時是1.4V。跨接低壓端IGBT的同封裝二極管具有特別低的前向電壓降和反向泄漏電流，可以使續(xù)流(freewheeling)和反向恢復(fù)期間的損耗達(dá)到最小。

這個設(shè)計(jì)中的開關(guān)技術(shù)具有如下優(yōu)勢：通過允許高壓端和低壓端IGBT獨(dú)立優(yōu)化實(shí)現(xiàn)很高的效率;高壓端、同封裝的軟恢復(fù)二極管沒有續(xù)流時間，從而消除了不必要的開關(guān)損耗;低壓端IGBT的開關(guān)頻率只有60Hz，因此導(dǎo)通損耗是這些IGBT的主要因素;沒有交叉導(dǎo)通，因?yàn)槿魏螘r間點(diǎn)的開關(guān)都發(fā)生在對角的兩個器件上(Q1和Q4或Q2和Q3);不存在總線直通的可能性，因?yàn)闃虻耐贿吷系腎GBT永遠(yuǎn)不可能以互補(bǔ)方式開關(guān);跨接低壓端IGBT的同封裝、超快速、軟恢復(fù)二極管經(jīng)過優(yōu)化可以使續(xù)流和反向恢復(fù)期間的損耗達(dá)到最小。

功能和性能

在系統(tǒng)級電源逆變器電路中，H橋的每條邊都使用高電壓、高速柵極驅(qū)動器IC進(jìn)行驅(qū)動，并且這些IC具有獨(dú)立的低壓端和高壓端參考輸出通道(圖3)。驅(qū)動器IRS2106SPBF的浮動通道允許對高壓端功率晶體管進(jìn)行自舉電源操作。

因此，高壓端驅(qū)動不再需要單獨(dú)的電源，這不僅提高了逆變器的效率，而且減少了整個系統(tǒng)的器件數(shù)量。當(dāng)電流在低壓端IGBT同一封裝上的二極管流過時，這些驅(qū)動器的自舉電容將在每個開關(guān)周期得到刷新。

因?yàn)楦邏憾说腝1和Q2同封裝二極管不會有續(xù)流經(jīng)過，低壓端的Q3和Q4二極管上主要是導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗非常小，所以總的系統(tǒng)損耗得到了最小化，系統(tǒng)效率得到了最大化。交叉導(dǎo)通可能性也被排除了，因?yàn)槿魏螘r間點(diǎn)的開關(guān)只在對角的兩個器件上發(fā)生(Q1和Q4或Q2和Q3)。

此外，每個輸出驅(qū)動器IC都有一個大脈沖電流緩存級電路，它們設(shè)計(jì)用于減小驅(qū)動器的交叉導(dǎo)通可能性。系統(tǒng)工作在單直流總線電源下，無需負(fù)直流總線。對于整個系統(tǒng)來說，所有這些因素導(dǎo)致了更高的效率和更少的器件數(shù)量。

在這個逆變器設(shè)計(jì)中，+20V電源第一次被用來給微處理器和控制電路供電。對于要實(shí)現(xiàn)的源代碼而言，在這個逆變器方案中使用的8位PIC18F1320微控制器將給IGBT驅(qū)動器提供信號，再由這些IGBT驅(qū)動器最終生成驅(qū)動信號來驅(qū)動IGBT。

說到驅(qū)動器，這里需要介紹一下。這個設(shè)計(jì)中使用的低壓端和高壓端IGBT驅(qū)動器是采用專利的先進(jìn)高壓IC工藝(G5 HVIC)和免閂鎖CMOS技術(shù)制造的，最大工作電壓可達(dá)600V。它們還采用了高壓電平變換和終接技術(shù)，可以從來自微控制器的低壓輸入產(chǎn)生合適的柵極驅(qū)動信號。這些驅(qū)動器的邏輯輸入兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或LSTTL輸出，最低到3.3V邏輯電平。

超快速二極管D1和D2提供向電容C2和C3充電的路徑，并且確保高壓端驅(qū)動器得到正確供電。在正輸出的半個周期內(nèi)，高壓端IGBT Q1被正弦PWM調(diào)制，而低壓端Q4保持導(dǎo)通狀態(tài)(圖4)。同樣，在負(fù)輸出的半個周期內(nèi)，高壓端Q2被正弦PWM調(diào)制，同時低壓端Q3保持導(dǎo)通。這種開關(guān)技術(shù)將在LC濾波器后面的輸出電容C4上產(chǎn)生一個60Hz的交流正弦波。

這個逆變器的設(shè)計(jì)輸出功率是500W，實(shí)際測量到的交流輸出功率是480.1W，功率損耗為14.4W。60Hz的交流輸出電壓是117.8V，輸出電流為4.074A。圖5就是這個500W設(shè)計(jì)輸出的60Hz波形。

對這個裝置測量得到的效率是97.09%。采用類似的裝置，逆變器被調(diào)節(jié)到200W輸出，并且再次測量它的轉(zhuǎn)換效率。此時負(fù)載上的交流功率是214W，功率損耗為6.0W。60Hz輸出電壓為124.6V，輸出電流是1.721A。在這個額定功率測量得到的轉(zhuǎn)換效率為97.28%。據(jù)觀察，在更低輸出功率(100W)時也能實(shí)現(xiàn)同樣高效的性能。

圖6給出了輸出功率電平從約100W到500W時測得的逆變器功率損耗。在相同輸出功率范圍、相同直流輸入下對逆變器效率的測量表明，它可在很寬的輸出功率范圍內(nèi)保持好于97%的高輸出效率，即使功率損耗會隨著輸出功率變大而增加(圖7)。

總之，在驅(qū)動器和高低壓端IGBT的正確組合下，這個太陽能逆變器設(shè)計(jì)在從約100W到接近500W的輸出功率范圍內(nèi)，可以提供同樣高的電源轉(zhuǎn)換效率性能。由于效率高，低功率損耗不會帶來任何熱管理挑戰(zhàn)，因此，安裝了驅(qū)動器和高壓IGBT的這個演示板可以在無風(fēng)扇情況下工作到500W。