基于IGBT光伏发电逆变电路的设计

摘要：为满足高压大容量逆变系统的要求，设计采用绝缘栅双极晶体管IGBT组成逆变电路的光伏发电系统。通过对太阳能光伏发电原理的简单了解，比较场效应管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT构成的逆变电路，针对IGBT构成的逆变电路中的重要环节分别提出改进方案来优化电路设计。最终既满足对高压大容量系统要求，又可以提高整个系统工作效率，使得整个系统达到最优状态。
关键词：太阳能；光伏发电；逆变电路；绝缘栅双极晶体管

国内外大多数光伏发电系统是采用功率场效应管MOSFET构成的逆变电路。然而随着电压的升高，MOSFET的通态电阻也会随着增大，在一些高压大容量的系统中，MOSFET会因其通态电阻过大而导致增加开关损耗的缺点。相比之下，绝缘栅双极晶体管IGBT通态电流大，正反向组态电压比较高，通过电压来控制导通或关断，这些特点使IGBT在中、高压容量的系统中更具优势，因此采用IGBT构成太阳能光伏发电关键电路的开关器件，有助于减少整个系统不必要的损耗，使其达到最佳工作状态。

1 原理
1．1 系统结构
太阳能光伏发电的实质就是在太阳光的照射下，太阳能电池阵列(即PV组件方阵)将太阳能转换成电能，输出的直流电经由逆变器后转变成用户可以使用的交流电。原理图如图1所示。

逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部件，因为它是将直流电转化为用户可以使用的交流电的必要过程，是太阳能和用户之间相联系的必经之路。因此要研究太阳能光伏发电的过程，就需要重点研究逆变电路这一部分。如图2(a)所示，是采用功率场效应管MOSFET构成的比较简单的推挽式逆变电路，其变压器的中性抽头接于电源正极，MOSFET的一端接于电源负极，功率场效应管Q1，Q2交替的工作最后输出交流电力，但该电路的缺点是带感性负载的能力差，而且变压器的效率也较低，因此应用起来有一些条件限制。采用绝缘栅双极晶体管IGBT构成的全桥逆变电路如图2(b)所示。其中Q1和Q2之间的相位相差180°，其输出交流电压的值随Q1和Q2的输出变化而变化。Q3和Q4同时导通构成续流回路，所以输出电压的波形不会受感性负载的影响，所以克服了由MOSFET构成的推挽式逆变电路的缺点，因此采用IGBT构成的全桥式逆变电路的应用较为广泛一些。

1．2 IGBT的原理
绝缘栅双极晶体管IGBT是相当于在MOSFET的漏极下增加了P+区，相比MOSFET来说多了一个PN结，当IGBT的集电极与发射极之间加上负电
压时，此PN结处于反向偏置状态，其集电极与发射极之间没有电流通过，因此IGBT要比MOSFET具有更高的耐压性。也是由于P+区的存在，使得IGBT在导通时是低阻状态，所以相对MOSFET来说，IGBT的电流容量要更大一些。表1所示为MOSFET和IGBT的性能对比，其中MOSFET的门栅极驱动损耗是比较低的，但相比于IGBT来说，IGBT的门栅极驱动损耗更低一些。

2 电路设计
逆变电路中的前级DC-DC变换器部分采用PIC16F873单片机为控制核心，后级DC-AC部分采用高性能DSP芯片TMS320F240为控制核心的全桥逆变电路。为了提升太阳能光伏发电逆变器的效率，可以通过降低逆变器损耗的方式来完成，其中驱动损耗和开关损耗是重点解决对象。降低驱动损耗的关键取决于功率开关管IGBT的栅极特性，降低开关损耗的关键取决于功率开关管IGBT的控制方式，因此针对驱动损耗和开关损耗的特性提出以下解决方案。
2．1 驱动电路
驱动电路是将主控制电路输出的信号转变为符合逆变电路所需要的驱动信号，也就是说它是连接主控制器与逆变器之间的桥梁，因此驱动电路性能的设计是至关重要的。采用EXB841集成电路构成IGBT的栅极驱动电路如图3所示，EXB841的响应速度快，可以通过控制其栅极的电阻来降低驱动损耗，提高其工作效率。EXB841内部有过电流保护电路，减少了外部电路的设计，使电路设计更加简单方便。比较典型的EXB 841的应用电路，一般是在IGBT的栅极上串联一个电阻Rg，这样是为了可以减小控制脉冲前后的震荡，而选取适当Rg的阻值则对IGBT的驱动有着相当重要的影响。此次电路在EXB841典型应用电路的基础上，优化IGBT栅极上串联的电阻，使其在IGBT导通与关断时，其电阻随着需要而有所变化。

具体实施如下：采用Rg2和VD1串联再与Rg1并联，当IGBT导通时，由驱动电路内部EXB841的3脚输出正电压，VD1导通，Rg1和Rg2共同工作，因为并联后的总电阻小于每一个支路的分电阻，所以串联在栅极上的总电阻Rg的值比Rg1，Rg2的值都要小，这样使得开关时间和开关损耗随着总电阻值的减小而减少，进而降低驱动损耗。当IGBT关断时，该驱动电路内部EXB841的5脚导通，3脚不导通，IGBT的发射极提供负