在全球的綠色能源發(fā)展趨勢下，越來越多的家用電器、照明設(shè)備、電動(dòng)工具、不間斷電源系統(tǒng)(UPS)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(dòng)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(duì)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(gè)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(duì)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(shí)。

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(shí)間。

IGBT是一種少數(shù)載流子器件，它的關(guān)斷時(shí)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。基于這些基本優(yōu)勢，本文介紹的這個(gè)電源逆變器選用IGBT作為功率開關(guān)。

由于電源逆變器一般采用全橋拓?fù)洌虼诉@個(gè)太陽能逆變器設(shè)計(jì)采用了4個(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)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(huì)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。