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IGBT高能效設計在太陽能中的應用

分類:IGBT專題 發布:2017年06月19日 22:32 瀏覽:759次 Tag:

福彩3d字谜 www.ixlzt.com   對于太陽能逆變器來說,絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能比其他功率元件提供更多的效益,其中包括高載流能力、以電壓而非電流進行控制,并能使逆并聯二極管與IGBT配合。本文將介紹如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT,使太陽能應用的功耗降至最低。

  太陽能逆變器是一種功率電子電路,能把太陽能電池板的直流電壓轉換為交流電壓來驅動家用電器、照明及電機工具等交流負載。如圖1所示,太陽能逆變器的典型架構一般采用四個開關的全橋拓撲。

  圖1:采用全橋拓撲的典型太陽能逆變器架構

  在圖1中,Q1和Q3被指定為高壓側IGBT,Q2和Q4則是低壓側IGBT。該逆變器用于在其目標市場的頻率和電壓條件下,產生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計量效益電網的住宅安裝,這就是其中一個目標應用市場,此項應用要求逆變器提供低諧波交流正弦電壓,讓電力可注入電網中。

  為滿足這個要求,IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下,對50Hz或60Hz的頻率進行脈寬調制,因此輸出電感器L1和L2便可以保持合理的小巧體積,并能有效抑制諧波。此外,由于其轉換頻率高出人類的正常聽覺頻譜,因此該設計也可盡量減少逆變器產生的可聽噪聲。

  脈寬調制這些IGBT的最佳方法是什么?怎樣才能把功耗降到最低呢?方法之一是僅對高壓側IGBT進行脈寬調制,對應的低壓側IGBT以50Hz或60Hz換相。圖2所示為一個典型的柵壓信號。當Q1正進行脈寬調制時,Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關斷。到了負半周期,當Q3進行脈寬調制時,Q2保持開啟狀態。Q1和Q4會在負半周期關斷。圖2也顯示了通過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。

  

  圖2:為Q1至Q4IGBT提供的柵極驅動信號,以及經過L1-C1-L2濾波器之后的輸出AC正弦電壓

  此變換技術具有以下優點:(1)電流不會在高壓側反并二極管上自由流動,因此可把不必要的損耗低至最低;(2)低壓側IGBT只會在50Hz或60Hz工頻進行切換,主要是導通損耗;(3)由于同一相上的IGBT絕對不會以互補的方式進行轉換,所以不可能出現總線短路擊穿情況;(4)可優化低壓 側IGBT的反并聯二極管,以盡量減低續流和反向恢復導致的損耗。

  IGBT技術

  IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結構的雙極型晶體管(BJT)。這種設計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣,以電壓代替電流來控制開關。作為一種BJT,IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時,IGBT亦如BJT一樣是一種少數載體元件。這意味著IGBT關閉的速度是由少數載體復合的速度快慢來決定。此外,IGBT的關閉時間與它的集極-射極飽和電壓(Vce(on))成反比(如圖3所示)。

  圖3:關閉時間與Vce(on)成反比

  以圖3為例,若IGBT擁有相同的體積和技術,一個超速IGBT比一個標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on) 。然而,超速IGBT的關閉速度卻比標準IGBT快得多。圖3反映的這種關系,是通過控制IGBT的少數載體復合率的使用周期以影響關閉時間來實現的。

  圖4顯示了四個擁有相同尺寸的IGBT的參數值。前三個IGBT采用同樣的平面式技術,但使用不同的壽命復合控制計量。從表中可見,標準速度的IGBT具有最低Vce(on),但與快速和超速平面式IGBT相比,標準速度的IGBT下降時間最慢。第四個IGBT是經優化的槽柵IGBT,能夠為太陽能逆變器這類高頻率切換應用提供低導通和開關損耗。請注意,槽柵IGBT的Vce(on)和總切換損耗 (Ets)比超速平面式IGBT低。

 

 圖4:采用不同速度和技術的IGBT的參數比較

  高壓側IGBT

  前文討論了高壓側IGBT在20kHz或以上頻率進行切換。假設設計一個擁有230V交流輸出的1.5kW太陽能逆變器,圖4中哪種IGBT具有最低的功耗呢?圖5顯示了IGBT在20kHz進行切換的功耗分析,由此可見超速平面式IGBT比其它兩種平面式IGBT具有更低的總功耗。

  圖5:高壓側IGBT在20kHz下的功耗

  在20kHz下,開關損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時,標準速度IGBT的導通損耗雖然最低,但其開關損耗卻最大,并不適合充當高壓側IGBT。

  最新的600V槽柵IGBT專為20kHz的切換進行了優化。如圖五所示,這種IGBT比以往的平面式IGBT提供較低的總功耗。因此,為了讓太陽能逆變器的設計能夠達到最高效率,槽柵IGBT是高壓側IGBT的首選元件。

  低壓側IGBT

  低壓側IGBT同樣有同一問題。究竟哪一種IGBT才能提供最低的功耗?由于這些IGBT只會進行50Hz或60Hz切換,如圖6所示,標準速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標準IGBT會帶來一些開關損耗,但數值并不足以影響IGBT的總功耗。事實上,最新的槽柵IGBT仍然擁有較高的功耗,因為這一代的槽柵IGBT專門針對高頻率應用而設計,以平衡開關和導通損耗為目標。因此,對低壓側IGBT來說,標準速度平面式IGBT仍然是必然選擇。

  圖6:低壓側IGBT在60Hz情況下的功耗

  本文分析了太陽能逆變器應用的全橋拓撲。這種拓撲利用正弦脈寬調制技術,在高于20kHz情況下,為高壓側IGBT 進行轉換。支線的低壓側IGBT決于輸出頻率要求,在50Hz或60Hz進行轉換。若挑選最新的600V槽柵IGBT,其總功耗將會在20kHz下達到最 低。在低壓側IGBT方面,標準速度平面式IGBT是最佳選擇。標準速度IGBT在50Hz或60Hz下擁有最低的導通損耗,其開關損耗對整體功耗來說微 不足道。因此,工程師只要正確選擇IGBT組合, 就能將太陽能逆變器應用的功耗降至最低,從而實現高能效設計。

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