中心議題

• 溝道和平麵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用低側和高側IGBT組合
• 逆變器效率設計

隨著綠色電力運動勢頭不減，包括家電、zhaominghediandonggongjudengyingyong，yizhiqitagongyeyongshebeidouzaijinkenengdiliyongtaiyangnengdeyoudian。weileyouxiaodimanzuzhexiechanpindexuqiu，dianyuanshejishizhengtongguozuishaoshuliangdeqijian、高度可靠性和耐用性，以高效率把太陽能源轉換成所需的交流或者直流電壓。

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

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

多年來的調查和分析顯示
，IGBT比bi其qi他ta功gong率lv晶jing體ti管guan有you更geng多duo優you點dian
，當dang中zhong包bao括kuo更geng高gao電dian流liu能neng力li，利li用yong電dian壓ya而er非fei電dian流liu來lai進jin行xing柵zha極ji控kong製zhi，以yi及ji能neng夠gou與yu一yi個ge超chao快kuai速su恢hui複fu二er極ji管guan協xie同tong封feng裝zhuang來lai加jia快kuai關guan斷duan速su度du。此ci外wai，工gong藝yi技ji術shu及ji器qi件jian結jie構gou的de精jing細xi改gai進jin也ye使shiIGBT的de開kai關guan性xing能neng得de到dao相xiang當dang的de改gai善shan。其qi他ta優you點dian還hai包bao括kuo更geng好hao的de通tong態tai性xing能neng
，以yi及ji擁yong有you高gao度du耐nai用yong性xing和he寬kuan安an全quan工gong作zuo區qu。在zai考kao慮lv這zhe些xie質zhi量liang之zhi後hou
，這zhe種zhong功gong率lv逆ni變bian器qi設she計ji就jiu會hui選xuan用yong高gao電dian壓yaIGBT
，作為功率開關的必然之選。

因為這個設計所實施的逆變器拓撲屬於全橋，所以有關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IGBT
，而Q3和Q4則為低側功率器件。為了要保持總功率耗損處於低水平，但功率轉換則擁有高效率，設計師要在這個DC/AC逆變器解決方案正確應用低側和高側IGBT組合。[page]


圖1 采用4個IGBT的逆變器設計

溝道和平麵IGBT

為了要同時把諧波和功率損耗降到最低，逆變器的高側IGBT利用了脈寬調製(PWM)，同時低側功率器件就用60Hz進行變化。通過把PWM頻率定在20kHz或以上操作
，高側IGBT有50/60Hz調製
，輸出電感器L1和L2便(bian)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)實(shi)際(ji)可(ke)行(xing)的(de)較(jiao)少(shao)尺(chi)寸(cun)

，提(ti)供(gong)有(you)效(xiao)的(de)諧(xie)波(bo)濾(lv)波(bo)。再(zai)者(zhe)，逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)可(ke)聽(ting)聲(sheng)也(ye)可(ke)以(yi)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)，因(yin)為(wei)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)已(yi)經(jing)高(gao)於(yu)人(ren)類(lei)的(de)聽(ting)覺(jiao)範(fan)圍(wei)。

我們研究過采用不同IGBT組合的各種開關技術後
，認定能夠實現最低功率耗損和最高逆變器性能的最好組合，是高側晶體管利用超高速溝道IGBT，而低側部分就采用標準速度的平麵器件。與快速和標準速度平麵器件比較，開關頻率在20kHz的超高速溝道IGBT提供最低的總通態和開關功率損耗組合。高側晶體管的開關頻率為20kHz的另外一個優點，是輸出電感器有合理的小尺寸，同時也容易進行濾波。在低側方麵，我們把標準速度平麵IGBT的開關頻率定在60Hz，使功率損耗可以保持在最低的水平。

當我們細看高電壓(600V)超高速溝道IGBT的開關性能
，便會知道這些器件為20kHz的開關頻率進行了優化。這使設計在相關的頻率下能夠保持最少的開關損耗，包括集電極到發射極的飽和電壓Vce(on)及總開關能量ETS。結果

，總通態和開關功率損耗便可以維持在最低的水平。根據這一點
，我們選擇了超高速溝道IGBT，例如
，IRGB4062DPBF作為高側功率器件。這種超高速構道IGBT與一個超高速軟恢複二極管采用協同封裝，進一步確保低開關耗損。

此外，這些IGBT不用要求短路額定值，因為當逆變器的輸出出現短路時，輸出電感器L1和L2會限製電流di/dt，從而給予控製器足夠的時間做出適當的回應。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。由於擁有更高的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、最高175℃結溫，還可承受4倍的額定電流。為了要顯示它們的耐用性，這些功率器件也經過100%鉗位電感負載測試。
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與高側不同
，通態耗損支配了低側IGBT。因為低側晶體管的工作頻率隻有60Hz，開關損耗對這些器件來說微不足道。標準速度平麵IGBT是特別為低頻率和較低通態耗損而設計。所以，隨著低側器件於60Hz進行開關
，這些IGBT要通過采用標準速度平麵IGBT來達到的最低功率耗損水平。因為這些器件的開關損耗非常少，標準速度平麵IGBT的總耗散並沒有受到其開關耗損所影響。基於這些考慮，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與超高速軟恢複反向並聯二極管協同封裝
，並且為最低飽和電壓和低工作頻率(<1kHz)進行優化。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IGBT的協同封裝二極管已經優化了，以在續流和反向恢複期間把損耗降到最低。

逆變器效率
圖2展示了係統層麵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

、高速柵極驅動器IC，以及獨立低和高側參考輸出通道所驅動。驅動器IRS2106SPBFdefudongtongdaorongxuzijudianyuanweigaocegonglvdianqijiangongzuo。yinci，tamianchulegaocequdongduigelishidianyuandexuqiu。zheyouzhuzhengtixitongqugaishannibianqidexiaolvhejianshaolingjianshumu。dangdianliuxuliudaodiceIGBT協同封裝二極管

，這些驅動器的自舉電容器會在每個開關周期(50μs)更新。

圖2 全橋功率逆變器電路

由於高側Q1和Q2協同封裝二極管並不受續流電流影響，同時低側Q3及Q4擁yong有you主zhu要yao的de通tong態tai耗hao損sun和he非fei常chang少shao的de開kai關guan耗hao損sun
，整zheng體ti係xi統tong損sun耗hao獲huo得de最zui小xiao化hua，而er係xi統tong效xiao率lv就jiu得de到dao最zui大da化hua。此ci外wai，因yin為wei在zai任ren何he時shi間jian，開kai關guan都dou在zai對dui角jiao器qi件jian配pei對duiQ1和Q4，或者Q2和Q3上進行，所以排除了直通的可能性。同時，每個輸出驅動器IC具(ju)備(bei)高(gao)脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)緩(huan)衝(chong)級(ji)以(yi)最(zui)小(xiao)化(hua)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)直(zhi)通(tong)。這(zhe)個(ge)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)突(tu)出(chu)功(gong)能(neng)，是(shi)它(ta)以(yi)單(dan)一(yi)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)供(gong)電(dian)運(yun)作(zuo)。因(yin)此(ci)，排(pai)除(chu)了(le)負(fu)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)的(de)需(xu)求(qiu)。簡(jian)單(dan)點(dian)來(lai)說(shuo)，針(zhen)對(dui)整(zheng)體(ti)逆(ni)變(bian)器(qi)，以(yi)上(shang)這(zhe)些(xie)安(an)排(pai)全(quan)部(bu)都(dou)可(ke)以(yi)轉(zhuan)化(hua)為(wei)更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)更(geng)少(shao)的(de)零(ling)件(jian)數(shu)目(mu)。更(geng)少(shao)的(de)零(ling)件(jian)也(ye)表(biao)示(shi)設(she)計(ji)可(ke)以(yi)占(zhan)更(geng)少(shao)的(de)空(kong)間(jian)
，以(yi)及(ji)擁(yong)有(you)更(geng)簡(jian)短(duan)的(de)物(wu)料(liao)清(qing)單(dan)。

在這個逆變器設計中，+20V電源首先用來推動微型處理器，並且管理不同的電路。有關代碼的實現，這個逆變器解決方案中采用的8位微型控製器PIC18F1320會為IGBT驅動器產生信號，由此最終提供用來驅動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(ji)術(shu)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)集(ji)成(cheng)高(gao)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)和(he)終(zhong)端(duan)技(ji)術(shu)
，使(shi)驅(qu)動(dong)器(qi)能(neng)夠(gou)從(cong)微(wei)型(xing)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)低(di)電(dian)壓(ya)輸(shu)入(ru)產(chan)生(sheng)適(shi)當(dang)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)。有(you)關(guan)的(de)邏(luo)輯(ji)輸(shu)入(ru)與(yu)標(biao)準(zhun)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
，並且確保高側驅動器獲得正確的動力。圖3描繪出相關的輸出波形。如圖所示，在正輸出半周期內，高側IGBT Q1經過正弦PWM調製，但低側Q4就保持開通狀況。同樣地

，在負輸出半周期內，高側Q2經過正弦PWM調製
，而低側Q3則保持開通狀況。這種開關技術在輸出LC濾波器之後
，於電容器C4的兩端提供60Hz交流正弦波。

圖3 電容器充電波形

逆變器是為500W的輸出而設計，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
，然後再重新測量轉換效率。結果顯示，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，通過把適當的高電壓驅動器與優化了的低側和高側高電壓IGBT結合，我們在這裏提到的太陽能逆變器設計
，能夠在100～500W的de功gong率lv輸shu出chu範fan圍wei內nei持chi續xu提ti供gong高gao轉zhuan換huan效xiao率lv性xing能neng。由you於yu轉zhuan換huan效xiao率lv非fei常chang高gao
，所suo以yi有you關guan的de低di功gong率lv損sun耗hao並bing不bu會hui帶dai來lai任ren何he溫wen度du管guan理li挑tiao戰zhan。因yin此ci
，在zai最zui高gao500W的輸出功率下，高側IGBT (IRGB4062DPBF) 的結溫大約80℃，比最高的特定結溫175℃要低於一半。同樣地，在一樣的功率水平下，低側IGBT (IRG4BC20SD-PBF)顯示83℃的結溫。同時，當輸出功率達到200W左右，溫度還會變得更低。