優化高電壓IGBT造就高效率太陽能逆變器

　　與高側不同，通態耗損支配了低側IGBT。因為低側晶體管的工作頻率只有60Hz，開關損耗對這些器件來說微不足道。標準速度平面IGBT是特別為低頻率和較低通態耗損而設計。所以，隨著低側器件于60Hz進行開關，這些IGBT要通過采用標準速度平面IGBT來達到的最低功率耗損水平。因為這些器件的開關損耗非常少，標準速度平面IGBT的總耗散并沒有受到其開關耗損所影響。基于這些考慮，標準速度IGBT IRG4BC20SD因此成為低功率器件的最好選擇。一個第四代IGBT與超高速軟恢復反向并聯二極管協同封裝，并且為最低飽和電壓和低工作頻率(<1kHz)進行優化。在10A下的典型Vce(on)為1.4V。針對低正向降壓及反向漏電流，跨越低側IGBT的協同封裝二極管已經優化了，以在續流和反向恢復期間把損耗降到最低。

　　逆變器效率

　　圖2展示了系統層面的全橋功率逆變器電路。就如圖中所示，H橋的每一支管腳由高電流、高速柵極驅動器IC，以及獨立低和高側參考輸出通道所驅動。驅動器IRS2106SPBF的浮動通道容許自舉電源為高側功率電器件工作。因此，它免除了高側驅動對隔離式電源的需求。這有助整體系統去改善逆變器的效率和減少零件數目。當電流續流到低側IGBT協同封裝二極管，這些驅動器的自舉電容器會在每個開關周期(50μs)更新。

　　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。