【導讀】對太陽能逆變器來說，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能比其他功率元件提供更多的效益，包括高載流能力、以電壓而非電流進行控制，并能使逆并聯(lián)二極管與IGBT配合。本文將介紹如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT，使太陽能應(yīng)用的功耗降至最低。
對于太陽能逆變器來說，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能比其他功率元件提供更多的效益，其中包括高載流能力、以電壓而非電流進行控制，并能使逆并聯(lián)二極管與IGBT配合。本文將介紹如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT，使太陽能應(yīng)用的功耗降至最低。
太陽能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓來驅(qū)動家用電器、照明及電機工具等交流負載。如圖1所示，太陽能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個開關(guān)的全橋拓撲。
圖1：采用全橋拓撲的典型太陽能逆變器架構(gòu)
在圖1中，Q1和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT，Q2和Q4則是低壓側(cè)IGBT。該逆變器用于在其目標市場的頻率和電壓條件下，產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計量效益電網(wǎng)的住宅安裝，這就是其中一個目標應(yīng)用市場，此項應(yīng)用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓，讓電力可注入電網(wǎng)中。
為滿足這個要求，IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下，對50Hz或60Hz的頻率進行脈寬調(diào)制，因此輸出電感器L1和L2便可以保持合理的小巧體積，并能有效抑制諧波。此外，由于其轉(zhuǎn)換頻率高出人類的正常聽覺頻譜，因此該設(shè)計也可盡量減少逆變器產(chǎn)生的可聽噪聲。
脈寬調(diào)制這些IGBT的最佳方法是什么？怎樣才能把功耗降到最低呢？方法之一是僅對高壓側(cè)IGBT進行脈寬調(diào)制，對應(yīng)的低壓側(cè)IGBT以50Hz或60Hz換相。圖2所示為一個典型的柵壓信號。當Q1正進行脈寬調(diào)制時，Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關(guān)斷。到了負半周期，當Q3進行脈寬調(diào)制時，Q2保持開啟狀態(tài)。Q1和Q4會在負半周期關(guān)斷。圖2也顯示了通過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。
圖2：為Q1至Q4IGBT提供的柵極驅(qū)動信號，以及經(jīng)過L1-C1-L2濾波器之后的輸出AC正弦電壓
此變換技術(shù)具有以下優(yōu)點：(1)電流不會在高壓側(cè)反并二極管上自由流動，因此可把不必要的損耗低至最低；(2)低壓側(cè)IGBT只會在50Hz或60Hz工頻進行切換，主要是導通損耗；(3)由于同一相上的IGBT絕對不會以互補的方式進行轉(zhuǎn)換，所以不可能出現(xiàn)總線短路擊穿情況；(4)可優(yōu)化低壓 側(cè)IGBT的反并聯(lián)二極管，以盡量減低續(xù)流和反向恢復(fù)導致的損耗。
IGBT技術(shù)
IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管(BJT)。這種設(shè)計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控制開關(guān)。作為一種BJT，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時，IGBT亦如BJT一樣是一種少數(shù)載體元件。這意味著IGBT關(guān)閉的速度是由少數(shù)載體復(fù)合的速度快慢來決定。此外，IGBT的關(guān)閉時間與它的集極-射極飽和電壓(Vce(on))成反比(如圖3所示)。
圖3：關(guān)閉時間與Vce（on）成反比
以圖3為例，若IGBT擁有相同的體積和技術(shù)，一個超速IGBT比一個標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on) 。然而，超速IGBT的關(guān)閉速度卻比標準IGBT快得多。圖3反映的這種關(guān)系，是通過控制IGBT的少數(shù)載體復(fù)合率的使用周期以影響關(guān)閉時間來實現(xiàn)的。
圖4顯示了四個擁有相同尺寸的IGBT的參數(shù)值。前三個IGBT采用同樣的平面式技術(shù)，但使用不同的壽命復(fù)合控制計量。從表中可見，標準速度的IGBT具有最低Vce(on)，但與快速和超速平面式IGBT相比，標準速度的IGBT下降時間最慢。第四個IGBT是經(jīng)優(yōu)化的槽柵IGBT，能夠為太陽能逆變器這類高頻率切換應(yīng)用提供低導通和開關(guān)損耗。請注意，槽柵IGBT的Vce(on)和總切換損耗 (Ets)比超速平面式IGBT低。
圖4：采用不同速度和技術(shù)的IGBT的參數(shù)比較
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