采用IGBT作为功率开关的500W太阳能逆变器设计

　在全球的绿色能源发展趋势下，越来越多的家用电器、照明设备、电动工具、不间断电源系统(UPS)以及其它工业设备开始采用太阳能供电，将太阳能量转换为所需的交流(AC)或直流(DC)电压。

为高效率地产生这些设备所需的电压和电流，电源逆变器需要正确地组合控制器、驱动器和输出功率器件。本文讨论的这款直流到交流逆变器设计，专门针对500W功率、120V和60Hz频率的单相正弦波输出进行了优化。这个设计的200V直流输入可以由与太阳能阵列电池板相连的DC/DC电压转换器产生。

针对这类应用有各种先进的功率器件可以使用，比如MOSFET、双极结晶体管(BJT)和IGBT。然而，为取得最佳的转换效率和性能，为这种太阳能逆变器选择正确的功率晶体管极具挑战性，而且非常耗时。

多年来的研究表明，IGBT可以比其它功率器件提供更多的优势，其中包括更强的电流处理能力、用电压(而不是电流)方便地实现栅极控制，以及在封装内集成超快速恢复二极管实现更快的关断时间。

IGBT是一种少数载流子器件，它的关断时间取决于少数载流子重新组合的速度，因此，随着最近工艺技术和器件结构的改进，它的开关特性已得到显著增强。另外，IGBT具有超高导通性能和较宽的安全工作区(SOA)，工作非常稳定。基于这些基本优势，本文介绍的这个电源逆变器选用IGBT作为功率开关。

由于电源逆变器一般采用全桥拓扑，因此这个太阳能逆变器设计采用了4个高压IGBT(图1)。晶体管Q1和Q2用作高压端IGBT，Q3和Q4用作低压端功率器件。为保持低的总功率损耗低和高的电源转换效率，这个DC/DC逆变器解决方案利用低压端和高压端IGBT产生频率为60Hz的单相交流纯正弦波形。本文作者编写的另外一篇文章还介绍了如何为这种太阳能逆变器应用正确选用高压IGBT。

　　开关型IGBT

实质上，为保持谐波分量低和功率损耗最小，逆变器的高压端IGBT采用脉宽调制(PWM)，低压端IGBT则以60Hz频率变换电流方向。通过让高压端IGBT使用20kHz或20kHz以上的PWM频率和50/60Hz调制方案，输出电感L1和L2在实例中可以做得很小，并且照样能对谐波分量进行高效滤波。此外，来自逆变器的可闻噪声也很小，因为开关频率高于人耳听觉频率。

比较各种开关技术和IGBT的发现，获得最低功率损耗和最高逆变器性能的最佳组合是高压端晶体管使用超快速沟道型IGBT，低压端晶体管使用标准速度的平面工艺IGBT(图2)。

与快速和标准速度的平面器件相比，开关速度为20kHz的超快速沟道型IGBT可以提供最低的总导通损耗和开关功率损耗。同样，对于低压端开关电路，工作在60Hz的标准速度IGBT可以提供最低的功率损耗。

研究高压(600V)超快速沟道型IGBT的开关特性可以清楚地发现，这些器件工作在20kHz时具有最佳性能。这些器件在这些频率点可以提供最小的开关损耗，包括更低的集电极到发射极饱和电压(VCE(on))和总开关能量(ETS)，从而使总导通损耗和开关功率损耗保持最小。因此，高压端功率器件通常选用超快速沟道型IGBT，如IRGB4062DPBF。

事实上，为进一步降低开关功率损耗，IRGB4062DPBF在同一封装内还集成了一个超快速软恢复二极管。高压端晶体管的开关频率选在20kHz的另一个好处是输出电感可以做得很小，使谐波分量的滤除非常容易。此外，这些IGBT不要求短路率，因为当逆变器输出短路时，输出电感L1和L2将限制电流di/dt，从而给控制器留出足够的反应时间。

此外，有短路率要求的IGBT可以比相同尺寸的无短路率IGBT提供更高的VCE(on)和更高的ETS。这样，有短路率要求的IGBT的功率损耗会更大，从而降低电源逆变器的效率。

除了能在相同封装内提供更低导通和开关损耗、更大的电流密度外，超快速沟道型IGBT可以提供正方形反向偏置工作区和175°的最大结点温度，并能承受4倍的额定电流。

与高压端器件不同，导通损耗是低压端IGBT的主要因素。因为低压端晶体管的工作频率只有60Hz，所以这些器件的开关损耗不是很明显。标准速度的平面IGBT是专门针对低频率和低导通损耗优化了的器件。因此当低压端器件开关频率为60Hz时，这些低压端器件可以使用标准速度的平面IGBT实现最低功率损耗。

由于这些器件的开关损耗不大，所以不会影响标准速度平面IGBT的总功率损耗。因此，标准速度IGBT IRG4BC20SD是低压端功率器件的正确选择。

封装内集成了超快速、软恢复、反平行二极管的第四代IGBT，针对最小饱和电压与低工作频率(1kHz)作了优化，典型的VCE(on)在电流为10A时是1.4V。跨接低压端IGBT的同封装二极管具有特别低的前向电压降和反向泄漏电流，可以使续流(freewheeling)和反向恢复期间的损耗达到最小。

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