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使功耗降至最低,太陽能逆變器IGBT怎么選?

發(fā)布時(shí)間:2013-08-16 來源:IR 責(zé)任編輯:Cynthiali

【導(dǎo)讀】在太陽能逆變器應(yīng)用中,IGBT能比其他功率元件提供更多的效益,包括高載流能力、使逆并聯(lián)二極管與IGBT配合、以電壓而非電流進(jìn)行控制。但是,要使太陽能應(yīng)用中功耗降至最低,IGBT該怎么選?本來用圖文數(shù)據(jù)告訴你!

如今市場(chǎng)上先進(jìn)功率元件的種類數(shù)不勝數(shù),要為一項(xiàng)應(yīng)用選擇到合適的功率元件可以說很艱巨。以太陽能逆變器應(yīng)用為例,絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 能比其他功率元件提供更多的效益,包括高載流能力、以電壓而非電流進(jìn)行控制,并能使逆并聯(lián)二極管與IGBT配合。本文介紹如何利用全橋逆變器拓?fù)浼斑x用合適的IGBT,使太陽能應(yīng)用的功耗降至最低。

太陽能逆變器的典型架構(gòu)

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(zhuǎn)換為交流電壓來驅(qū)動(dòng)家用電器、照明及電機(jī)工具等交流負(fù)載。如圖1所示,太陽能逆變器的典型架構(gòu)一般采用四個(gè)開關(guān)的全橋拓?fù)洹?br />
使功耗降至最低,太陽能逆變器IGBT怎么選?

在圖1中, Q1 和Q3被指定為高壓側(cè)IGBT,Q2 和Q4 則是低壓側(cè) IGBT。 該逆變器用于在其目標(biāo)市場(chǎng)的頻率和電壓條件下,產(chǎn)生單相位正弦電壓波形。有些逆變器用于連接凈計(jì)量效益電網(wǎng)的住宅安裝,這就是其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng),此項(xiàng)應(yīng)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(wǎng)中。

為滿足這個(gè)要求,IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下,對(duì)50Hz或60Hz的頻率進(jìn)行脈寬調(diào)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(zhuǎn)換頻率高出人類的正常聽覺頻譜,因此該設(shè)計(jì)也可盡量減少逆變器產(chǎn)生的可聽噪聲。

脈寬調(diào)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(duì)高壓側(cè)IGBT進(jìn)行脈寬調(diào)制,對(duì)應(yīng)的低壓側(cè)IGBT以50Hz或60Hz換相。圖2所示為一個(gè)典型的柵壓信號(hào)。當(dāng)Q1 正進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí),Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關(guān)斷 。到了負(fù)半周期,當(dāng)Q3進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí),Q2保持開啟狀態(tài)。Q1和Q4會(huì)在負(fù)半周期關(guān)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。

使功耗降至最低,太陽能逆變器IGBT怎么選?

此變換技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
  • (1)電流不會(huì)在高壓側(cè)反并二極管上自由流動(dòng),因此可把不必要的損耗低至最低。
  • (2)低壓側(cè)IGBT只會(huì)在50Hz或60Hz工頻進(jìn)行切換,主要是導(dǎo)通損耗。
  • (3)由于同一相上的IGBT絕對(duì)不會(huì)以互補(bǔ)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,所以不可能出現(xiàn)總線短路擊穿情況。
  • (4)可優(yōu)化低壓側(cè)IGBT的反并聯(lián)二極管,以盡量減低續(xù)流和反向恢復(fù)導(dǎo)致的損耗。

下頁內(nèi)容:IGBT技術(shù)和IGBT的選擇
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IGBT技術(shù)和IGBT的選擇

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

使功耗降至最低,太陽能逆變器IGBT怎么選?

以圖3為例,若IGBT擁有相同的體積和技術(shù),一個(gè)超速IGBT比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT擁有更高的Vce(on) 。然而,超速IGBT的關(guān)閉速度卻比標(biāo)準(zhǔn)IGBT快得多。圖3反映的這種關(guān)系,是通過控制IGBT的少數(shù)載體復(fù)合率的使用周期以影響關(guān)閉時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。

表1顯示了四個(gè)擁有相同尺寸的IGBT的參數(shù)值。前三個(gè)IGBT采用同樣的平面式技術(shù),但使用不同的壽命復(fù)合控制計(jì)量。從表中可見,標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT具有最低Vce(on) ,但與快速和超速平面式IGBT相比,標(biāo)準(zhǔn)速度的IGBT下降時(shí)間最慢。第四個(gè)IGBT是經(jīng)優(yōu)化的槽柵IGBT,能夠?yàn)樘柲苣孀兤鬟@類高頻率切換應(yīng)用提供低導(dǎo)通和開關(guān)損耗。請(qǐng)注意,槽柵IGBT的Vce(on) 和總切換損耗 (Ets) 比超速平面式IGBT低。

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