優化高電壓IGBT實現高效率太陽能逆變器制作

圖2 全橋功率逆變器電路

由于高側Q1和Q2協同封裝二極管并不受續流電流影響，同時低側Q3及Q4擁有主要的通態耗損和非常少的開關耗損，整體系統損耗獲得最小化，而系統效率就得到最大化。此外，因為在任何時間，開關都在對角器件配對Q1和Q4，或者Q2和Q3上進行，所以排除了直通的可能性。同時，每個輸出驅動器IC具備高脈沖電流緩沖級以最小化驅動器的直通。這個逆變器的另一個突出功能，是它以單一直流母線供電運作。因此，排除了負直流母線的需求。簡單點來說，針對整體逆變器，以上這些安排全部都可以轉化為更高的效率和更少的零件數目。更少的零件也表示設計可以占更少的空間，以及擁有更簡短的物料清單。

在這個逆變器設計中，+20V電源首先用來推動微型處理器，并且管理不同的電路。有關代碼的實現，這個逆變器解決方案中采用的8位微型控制器PIC18F1320會為IGBT驅動器產生信號，由此最終提供用來驅動IGBT的信號。以專用先進高電壓IC工藝過程 (G5 HVIC)以及鎖存免疫CMOS技術的柵極驅動器集成高電壓轉換和終端技術，使驅動器能夠從微型控制器的低電壓輸入產生適當的柵極驅動信號。有關的邏輯輸入與標準CMOS或LSTTL輸出相容，邏輯電壓可低至3.3V。

超高速二極管D1和D2提供路徑來把電容器C2及C3充電，并且確保高側驅動器獲得正確的動力。圖3描繪出相關的輸出波形。如圖所示，在正輸出半周期內，高側IGBT Q1經過正弦PWM調制，但低側Q4就保持開通狀況。同樣地，在負輸出半周期內，高側Q2經過正弦PWM調制，而低側Q3則保持開通狀況。這種開關技術在輸出LC濾波器之后，于電容器C4的兩端提供60Hz交流正弦波。

圖3 電容器充電波形

逆變器是為500W的輸出而設計，測量所得的交流輸出功率是480.1W，功率損耗則是14.4W。在60Hz的頻率下，交流輸出電壓有117.8V，輸出電流是4.074A。這個配置獲得97.09%的效率。利用相似的配置，將逆變器改為針對200W輸出，然后再重新測量轉換效率。結果顯示，在這個負載下，交流功率為214W，功率耗損有6.0W，而在1.721A的輸出電流下，60Hz輸出電壓為124.6V。在這個功率額定值下，所得的轉換效率為97.28%。即使在較低一端的輸出功率(100W)，我們也看到相似的效率性能。

簡單來說，通過把適當的高電壓驅動器與優化了的低側和高側高電壓IGBT結合，我們在這里提到的太陽能逆變器設計，能夠在100～500W的功率輸出范圍內持續提供高轉換效率性能。由于轉換效率非常高，所以有關的低功率損耗并不會帶來任何溫度管理挑戰。因此，在最高500W的輸出功率下，高側IGBT (IRGB4062DPBF) 的結溫大約80℃，比最高的特定結溫175℃要低于一半。同樣地，在一樣的功率水平下，低側IGBT (IRG4BC20SD-PBF)顯示83℃的結溫。同時，當輸出功率達到200W左右，溫度還會變得更低。