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如何正确地为太阳能逆变器应用选择IGBT

作者:不爱吃窝瓜时间:2016-03-20浏览次数:1738

如今市场上先进功率元件的种类数不胜数,工程人员要为一项应用选择到合适的功率元件,的确是一项艰巨的工作。就以太阳能逆变器应用来说,绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 能比其他功率元件提供更多的效益,其中包括高载流能力、以电压而非电流进行控制,并能使逆并联二极管与IGBT配合。本文将介绍如果利用全桥逆变器拓扑及选用合适的IGBT,使太阳能应用的功耗降至最低。

太阳能逆变器是一种功率电子电路,能把太阳能电池板的直流电压转换为交流电压来驱动家用电器、照明及电机工具等交流负载。如图1所示,太阳能逆变器的典型架构一般采用四个开关的全桥拓扑。

在图1中, Q1 和Q3被指定为高压侧IGBT,Q2 和Q4 则是低压侧 IGBT。该逆变器用于在其目标市场的频率和电压条件下,产生单相位正弦电压波形。有些逆变器用于连接净计量效益电网的住宅安装,这就是其中一个目标应用市场,此项应用要求逆变器提供低谐波交流正弦电压,让电力可注入电网中。

为满足这个要求,IGBT可在20kHz或以上频率的情况下,对50Hz或60Hz的频率进行脉宽调制,因此输出电感器L1和L2便可以保持合理的小巧体积,并能有效抑制谐波。此外,由于其转换频率高出人类的正常听觉频谱,因此该设计也可尽量减少逆变器产生的可听噪声。

脉宽调制这些IGBT的最佳方法是什么?怎样才能把功耗降到最低呢?方法之一是仅对高压侧IGBT进行脉宽调制,对应的低压侧IGBT以50Hz或60Hz 换相。图2所示为一个典型的栅压信号。当Q1 正进行脉宽调制时,Q4维持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持关断。到了负半周期,当Q3进行脉宽调制时,Q2保持开启状态。Q1和Q4会在负半周期关断。图2 也显示了通过输出滤波电容器C1的AC正弦电压波形。

此变换技术具有以下优点:(1)电流不会在高压侧反并二极管上自由流动,因此可把不必要的损耗低至最低。(2)低压侧IGBT只会在50Hz或60Hz工频进行切换,主要是导通损耗。(3)由于同一相上的IGBT绝对不会以互补的方式进行转换,所以不可能出现总线短路击穿情况。(4)可优化低压侧IGBT的反并联二极管,以尽量减低续流和反向恢复导致的损耗。

IGBT技术

IGBT基本上是具备金属门氧化物门结构的双极型晶体管 (BJT) 。这种设计让IGBT的栅极可以像MOSFET一样,以电压代替电流来控制开关。作为一种BJT,IGBT的电流处理能力比MOSFET更高。同时,IGBT亦如BJT一样是一种少数载体元件。这意味着IGBT关闭的速度是由少数载体复合的速度快慢来决定。此外,IGBT的关闭时间与它的集极-射极饱和电压 (Vce(on)) 成反比(如图3所示)。

以图3为例,若IGBT拥有相同的体积和技术,一个超速IGBT比一个标准速度的IGBT拥有更高的Vce(on) 。然而,超速IGBT的关闭速度却比标准IGBT快得多。图3反映的这种关系,是通过控制IGBT的少数载体复合率的使用周期以影响关闭时间来实现的。

表 1显示了四个拥有相同尺寸的IGBT的参数值。前三个IGBT采用同样的平面式技术,但使用不同的寿命复合控制计量。从表中可见,标准速度的IGBT具有最低Vce(on) ,但与快速和超速平面式IGBT相比,标准速度的IGBT下降时间最慢。第四个IGBT是经优化的槽栅IGBT,能够为太阳能逆变器这类高频率切换应用提供低导通和开关损耗。请注意,槽栅IGBT的Vce(on) 和总切换损耗 (Ets) 比超速平面式IGBT低。

高压侧IGBT

前文讨论了高压侧 IGBT在20kHz或以上频率进行切换。假设设计一个拥有230V交流输出的1.5kW 太阳能逆变器,表1中哪种IGBT具有最低的功耗呢?图4显示了IGBT在20kHz进行切换的功耗分析,由此可见超速平面式IGBT比其它两种平面式 IGBT具有更低的总功耗。

在20kHz下,开关损耗明显成为总功耗的重要部分。同时,标准速度IGBT的导通损耗虽然最低,但其开关损耗却最大,并不适合充当高压侧IGBT。






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