高效的500W单相正弦波太阳能逆变器设计解决方案

    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。

    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。

    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。

    这个设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小。

    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。■