一种用于高效率太阳能逆变器的新型紧凑型功率模块系列

1.引言

在大多数情况下，DC-AC逆变器的拓朴是基于一个由太阳能电池直接馈电的全桥电路拓朴，如图１所示。

图１ 具有全桥电路的太阳能逆变器

然而，当太阳能电池的电压较低或变化较大时，在太阳能电池板后插入一个升压变换器，就能给全桥电路提供一个恒定的DC电压，如图2所示。

图2 具有升压斩波器和全桥电路的太阳能逆变器

全桥电路也可以简化成一个相臂与一个电容分压器的组合。但是，与全桥电路相比较，在同样的输出功率下，这个相臂必须承受2倍的电流。因为功率模块具有非常对称的设计，所以只要将桥式电路的2个相臂并联就能很容易地形成一个具有2倍电流容量的相臂。

在本文中，只考虑全桥电路拓朴。系统的尺寸p性能p可靠性和成本都很重要，但逆变器的效率是最关键的参数。使太阳能逆变器获得可能的最高效率，不仅是节约宝贵能量所需要的基本要求，而且对于降低电力生产的成本也是至关重要的。为了达到这个目标，全桥电路需要采用单极开关DC－AC逆变器拓朴。为了使输出滤波器最小化，全桥的下臂开关工作在高频率，而上臂开关则工作在输电线频率。采用这种工作模式，逆变器既具有高频率运行的优点，而全桥电路中又只有2个开关存在开关损耗，另外2个开关只有传导损耗 的可忽略不计。

将这些功率器件集成在采用了最先进技术的扁平紧凑型封装内，为最高输出功率达10 kW的高功率密度和高可靠性的逆变器提供解决方案。

2.用于全桥电路解决方案的功率模块系列

2个功率模块系列专门为2个主AC电网提供600V和1200V的模块，并能满足太阳能电池的宽范围电压。为了能以一个具有竞争力的价格，为工作频率在15 kHz~ 50 kHz的范围提供最小型紧凑的解决方案，优先采用IGBT技术。在高频率工作的下臂开关采用快速的NPT IGBT器件。而在输电线频率工作的上臂开关则采用具有最低饱和电压降的沟槽（Trench ）和场终止（ Field stop） IGBT器件。实现全桥电路中下臂器件和上臂的低导通损耗器件的快速转换是可能的，不过通常反相是通过给快速器件提供驱动，并避免置于全桥下臂时的浮动位来完成的。

同时，为了提高逆变器的效率，这类新型模块中的二极管是与功率晶体管相匹配的。高速p软恢复的Microsemi DQ系列二极管能与上臂的IGBT并联，与下臂的快速的IGBT组合，降低恢复损耗。具有低正向电压降的二极管在输出零交叉时，能够保护下臂的IGBT。这些最新二极管的应力要远远小于其它的二极管，已用于高频的反向恢复，由此可以降低电流额定值，有利于减小尺寸和降低成本。建议在节省空间的紧凑型SP1和SP3封装中采用600Vp30A ~100A和1200Vp15A ~50A 的二极管，如表1所示。

目前已能够提供采用CoolmosTM 器件的600V产品，该产品可以工作在更高的开关频率，并使开关损耗和导通损耗最小化。

表1：采用SP1和SP3 封装的全桥模块列表

3.用于完整的升压和全桥的逆变器电路

3.1 用于升压和全桥电路逆变器的单个模块

当太阳能电池的电压变化很大时，用一个升压变换器给全桥电路提供一个被调整了的DC 电压(400V~800V)是非常有道理的。为了使整个逆变器解决方案能给出一个最强的适应性，优先选择由2个模块组成的套件，其中一个模块用作升压开关，另一个模块则用作全桥开关。
因为一个完整的逆变器要使用一个升压电路级和全桥电路，所以可能会有２个单独的封装，首先优化每一个封装的尺寸和性能当然是非常重要的，但是这些优化也必须适合于２个模块的装配。
为了达到这个目的，优先选择用SOT227封装的3KVA模块作为升压开关和用SP1封装模块作为全桥的组合，如图３所示。
SOT 227的底座是25.4mm x 38.1mm，而SP1封装的底座是40.8mm x 51.6mm。２种封装的高度都是12mm，因此它们可以并排地安装在同一个散热器上，并与同一个印制电路板进行联线。SOT227提供螺丝接口端子，而SP1则通过焊接管脚引线来进行联结。

图3a 采用SOT227封装的升压级 (P3KW)

Fig.3b 采用SP1封装的全桥电路 (P>3KW)

当输出功率大于3KVA时，选择SP1封装的模块用作升压开关和SP3封装模块用作全桥开关的组合，是最好的解决方案，如图4所示。

图4a采用SP1封装的升压级 (P>3KW)

图4b采用SP3封装的全桥电路 (P>3KW)

当达到最高输出功率时，可能输入升压级和输出全桥模块都需要采用SP3封装。

与SP1封装的40.8mm x 51.6mm底座相结合，SP3占据的面积是40.8mm x 73.4mm。SP1模块和SP3模块的高度都是12mm，而且可以用波峰焊联结在同一个印制电路板上。

为了使磁性元件尤其是升压电感最小化，升压变换器必须在高频率下工作，其典型值是100 kHz。对于600V的应用，Cool