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

mosTM器件能够在高频率下给出最好的性能。目前已能够提供采用SOT227封装的45 mΩ模块和采用SP1封装的24 mΩ模块产品。所有这些产品中的匹配二极管都是最新的DQ软快恢复二极管。对于高电压的应用，如果升压级工作在高频率，那么MOSFET是最好的选择。因为随着MOSFET电压的增加，器件的导通电阻Ron显著增大，所以当输出功率增加时，就需要一个芯片面积大的MOSFET器件。目前已能够提供的升压斩波器产品是采用SP1封装的180mΩ和300mΩ模块，其击穿电压分别是1000V和1200V。为了使升压功能的成本最小化，在频率能够降低到25 kHz的情况下，可以用一个快速IGBT来代替MOSFET器件。采用SP1封装的1200Vp50A~100A快速 IGBT升压级可以达到该目的。

表2给出一个升压级模块的总结。

表2a. MOSFET 和CoolmosTM 升压级模块

表2b. IGBT升压级模块

这些升压级模块能与采用SP1和SP3封装的全桥模块组合，有关的全桥模块在前面的全桥模块章节中已进行过描述。
器件的电压p电流额定值和工艺技术应该按照逆变器的输出功率和选用的开关频率来进行选择。

3.2 用于升压和全桥电路逆变器的集成模块

将升压级与全桥电路组合在同一个封装中，可以使逆变器的尺寸进一步缩小。能够提供电压为600V和1200V的2种产品。对应每个电压额定值，2个功率最小的器件是采用底座为40.4mm x 93mm 的SP4封装的模块（见图5）。而2个功率最大的器件则集成在扁平的SP6-P 封装中(底座是62mm x 108mm见– 图6)。600V产品中的升压级采用CoolmosTM晶体管制作，而1200V产品则为了节省空间和成本，采用快速IGBT制作。表3 总结了现有的升压和全桥电路集成模块。

表3: 集成升压和全桥电路的太阳能模块

图5 SP4 封装的三维图像

图6 SP6-P封装的三维图像

4.性能比较

对各种各样的技术组合进行了比较，并研究了效率随着输出功率变化的函数关系。为了更好地测定不同快速开关的开关损耗所造成的影响，还研究了不同工作频率下的性能。

为了对不同的解决方案进行合理的比较，给出的是对应归一化输出功率P/Pnom的效率。

为了避免任何能听得见的音频噪声，并使磁性元件最小化，通常快速开关运行在20 kHz的工作频率。

图7给出对应归一化输出功率P/Pnom的效率函数关系

-全桥的4个开关都只采用沟槽（Trench）和场终止（ Field stop）IGBT，

-只采用快速 NPT IGBT，

-下臂采用快速NPT IGBT，上臂采用低导通损耗的IGBT器件沟槽（Trench ）和场终止（ Field stop）IGBT的优化组合。

图7 20 kHz下，Trench和Field stop, NPT 和混合Trench/NPT 的效率曲线

沟槽（Trench ）和场终止（ Field stop）IGBT是设计用来工作频率可高达20 kHz的器件。低的饱和电压VCEsat与合理的开关时间相结合，可以使效率达到96%至97%之间。尽管快速NPT IGBT器件的导通损耗较高，但由于开关损耗的降低，其效率仍然能够被进一步改善。将低开关损耗的快速IGBT和低导通损耗的沟槽（Trench ）和场终止（ Field stop）IGBT进行组合，工作性能比以前的组合要好大约1%，在一个很宽的输入功率范围内，总体的效率超过98%。

为了进一步提高效率，可以将工作频率降低到16 kHz，要指出的是工作频率的降低受到音频噪声的限制，而且不能影响到磁性元件的尺寸(见图8)。

图8 16 kHz下，Trench和Field stop, NPT 和混合Trench/NPT 的效率曲线

对于沟槽（Trench ）和场终止（ Field stop）IGBT，频率从20 kHz降低至16 kHz 可以获得大于97%的效率，非常接近快速NPT IGBT的效率98%，而混合IGBT技术的效率高于98%。

在一些情况下，为了进一步缩小磁性元件尤其是输出滤波器的尺寸，就需要将工作频率提高到50 kHz的范围。

600 V快速NPT IGBT的关断损耗很低，完全有能力在高达100 kHz的频率下运行，因此在50 kHz的范围内，一定能够获得可接受的效率。MOSFET器件具有更快速的开关时间，开关损耗比最快速的NPT器件都低。所以只要MOSFET器件具有低的导通损耗，它们的总损耗自然也就低了。600V CoolMOSTM 晶体管的导通电阻RDson非常小，因而使导通损耗最小化，而且具有快速的开关时间。

图9 50 kHz下，快速NPT/Trench IGBT和 CoolMOSTM / Trench开关组合的效率曲线

快速NPT和沟槽（Trench）IGBT的组合使得50 kHz时的效率仍然高于97%。CoolMOSTM晶体管与沟槽（Trench）IGBT的组合比前一种组合的效率更高。

如果没有必要为了缩小逆变器的尺寸而运行在高频率时，可以工作在16 kHz的频率下，采用CoolMOSTM器件和沟槽（Trench）IGBT的组合，能获得最高的效率。尽管沟槽（Trench）IGBT和场终止（ Field stop）IGB