采用IGBT作为功率开关的500W太阳能逆变器设计

计中的开关技术具有如下优势：通过允许高压端和低压端IGBT独立优化实现很高的效率;高压端、同封装的软恢复二极管没有续流时间，从而消除了不必要的开关损耗;低压端IGBT的开关频率只有60Hz，因此导通损耗是这些IGBT的主要因素;没有交叉导通，因为任何时间点的开关都发生在对角的两个器件上(Q1和Q4或Q2和Q3);不存在总线直通的可能性，因为桥的同一边上的IGBT永远不可能以互补方式开关;跨接低压端IGBT的同封装、超快速、软恢复二极管经过优化可以使续流和反向恢复期间的损耗达到最校

功能和性能

在系统级电源逆变器电路中，H桥的每条边都使用高电压、高速栅极驱动器IC进行驱动，并且这些IC具有独立的低压端和高压端参考输出通道(图3)。驱动器IRS2106SPBF的浮动通道允许对高压端功率晶体管进行自举电源操作。

因此，高压端驱动不再需要单独的电源，这不仅提高了逆变器的效率，而且减少了整个系统的器件数量。当电流在低压端IGBT同一封装上的二极管流过时，这些驱动器的自举电容将在每个开关周期得到刷新。

因为高压端的Q1和Q2同封装二极管不会有续流经过，低压端的Q3和Q4二极管上主要是导通损耗，开关损耗非常小，所以总的系统损耗得到了最小化，系统效率得到了最大化。交叉导通可能性也被排除了，因为任何时间点的开关只在对角的两个器件上发生(Q1和Q4或Q2和Q3)。

此外，每个输出驱动器IC都有一个大脉冲电流缓存级电路，它们设计用于减小驱动器的交叉导通可能性。系统工作在单直流总线电源下，无需负直流总线。对于整个系统来说，所有这些因素导致了更高的效率和更少的器件数量。

在这个逆变器设计中，+20V电源第一次被用来给微处理器和控制电路供电。对于要实现的源代码而言，在这个逆变器方案中使用的8位PIC18F1320微控制器将给IGBT驱动器提供信号，再由这些IGBT驱动器最终生成驱动信号来驱动IGBT。

说到驱动器，这里需要介绍一下。这个设计中使用的低压端和高压端IGBT驱动器是采用专利的先进高压IC工艺(G5 HVIC)和免闩锁CMOS技术制造的，最大工作电压可达600V。它们还采用了高压电平变换和终接技术，可以从来自微控制器的低压输入产生合适的栅极驱动信号。这些驱动器的逻辑输入兼容标准的CMOS或LSTTL输出，最低到3.3V逻辑电平。

超快速二极管D1和D2提供向电容C2和C3充电的路径，并且确保高压端驱动器得到正确供电。在正输出的半个周期内，高压端IGBT Q1被正弦PWM调制，而低压端Q4保持导通状态(图4)。同样，在负输出的半个周期内，高压端Q2被正弦PWM调制，同时低压端Q3保持导通。这种开关技术将在LC滤波器后面的输出电容C4上产生一个60Hz的交流正弦波。

这个逆变器的设计输出功率是500W，实际测量到的交流输出功率是480.1W，功率损耗为14.4W。60Hz的交流输出电压是117.8V，输出电流为4.074A。图5就是这个500W设计输出的60Hz波形。

对这个装置测量得到的效率是97.09%。采用类似的装置，逆变器被调节到200W输出，并且再次测量它的转换效率。此时负载上的交流功率是214W，功率损耗为6.0W。60Hz输出电压为124.6V，输出电流是1.721A。在这个额定功率测量得到的转换效率为97.28%。据观察，在更低输出功率(100W)时也能实现同样高效的性能。

图6给出了输出功率电平从约100W到500W时测得的逆变器功率损耗。在相同输出功率范围、相同直流输入下对逆变器效率的测量表明，它可在很宽的输出功率范围内保持好于97%的高输出效率，即使功率损耗会随着输出功率变大而增加(图7)。

总之，在驱动器和高低压端IGBT的正确组合下，这个太阳能逆变器设计在从约100W到接近500W的输出功率范围内，可以提供同样高的电源转换效率性能。由于效率高，低功率损耗不会带来任何热管理挑战，因此，安装了驱动器和高压IGBT的这个演示板可以在无风扇情况下工作到500W。