飛兆高功率逆變器設(shè)計方案

I 引言和摘要

由于對可再生能源的需求，太陽能逆變器 (光電逆變器)的市場正在不斷增長。 而這些逆變器需要極高的效率和可靠性。 本文對這些逆變器中采用的功率電路進(jìn)行了考察， 并推薦了針對開關(guān)和整流器件的最佳選擇。

光電逆變器的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 有三種不同的逆變器可供選擇。 太陽光照射在通過串聯(lián)方式連接的太陽能模塊上， 每一個模塊都包含了一組串聯(lián)的太陽能電池(太陽能電池)單元。 太陽能模塊產(chǎn)生的直流(DC)電壓在幾百伏的數(shù)量級， 具體數(shù)值根據(jù)模塊陣列的光照條件、 電池的溫度及串聯(lián)模塊的數(shù)量而定。

這類逆變器的首要功能是把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定的值。 該功能通過升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)， 并需要升壓開關(guān)和升壓二極管。

在第一種結(jié)構(gòu)中，升壓級之后是一個隔離的全橋變換器。全橋變壓器的作用是提供隔離。輸出上的第二個全橋變換器是用來從第一級的全橋變換器的直流直流變換成交流(AC)電壓。 其輸出再經(jīng)由額外的雙觸點繼電器開關(guān)連接到交流電電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之前被濾波， 目的是在故障事件中提供安全隔離及在夜間與供電電網(wǎng)隔離。

第二種結(jié)構(gòu)是非隔離方案。其中，交流電交流電壓由升壓級輸出的直流電壓直接產(chǎn) 生。

第三種結(jié)構(gòu)利用功率開關(guān)和功率二極管的創(chuàng)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把升壓和交流電交流產(chǎn)生部分的功能整合在一個專用拓?fù)渲小?/p>

盡管太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率非常低，讓逆變器的效率盡可能接近100% 卻非常重要。 在德國， 安裝在朝南屋頂上的 3kW 串聯(lián)模塊預(yù)計每年可發(fā)電 2550 kWh。若逆變器效率從95% 增加到 96%，每年便可以多發(fā)電 25kWh。而利用額外的太陽能模塊產(chǎn)生這25kWh 的費(fèi)用與增加一個逆變器相當(dāng)。 由于效率從 95% 提高到 96% 不會使到逆變器的成本加倍， 故對更高效的逆變器進(jìn)行投資是必然的選擇。 對新興設(shè)計而言， 以最具成本效益地提高逆變器效率是關(guān)鍵的設(shè)計準(zhǔn)則。

至于逆變器的可靠性和成本則是另外兩個設(shè)計準(zhǔn)則。更高的效率可以降低負(fù)載周期上的溫度波動，從而提高可靠性，因此，這些準(zhǔn)則實際上是相關(guān)聯(lián)的。模塊的使用也會提高可靠性。

圖1 所示的所有拓?fù)涠夹枰焖俎D(zhuǎn)換的功率開關(guān)。 升壓級和全橋變換級需要快速轉(zhuǎn)換二極管。 此外， 專門為低頻(100Hz)轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開關(guān)對這些拓?fù)湟埠苡杏锰帯?對于任何特定的硅技術(shù)， 針對快速轉(zhuǎn)換優(yōu)化的開關(guān)比針對低頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用優(yōu)化的開關(guān)具有更高的導(dǎo)通損耗。

II 用于升壓級的開關(guān)和二極管

升壓級一般設(shè)計為連續(xù)電流模式轉(zhuǎn)換器。根據(jù)逆變器所采用的陣列中太陽能模塊的數(shù)量，來選者使用600V 還是 1200V 的器件。

功率開關(guān)的兩個選擇是MOSFET 和 IGBT。一般而言，MOSFET 比 IGBT 可以工作在更高的開關(guān)頻率下。 此外， 還必須始終考慮體二極管的影響： 在升壓級的情況下并沒有什么問題， 因為正常工作模式下體二極管不導(dǎo)通。 MOSFET 的導(dǎo)通損耗可根據(jù)導(dǎo)通阻抗 RDS(ON)來計算， 對于給定的 MOSFET 系列， 這與有效裸片面積成比例關(guān)系。 當(dāng)額定電壓從 600V 變化到 1200V 時， MOSFET 的傳導(dǎo)損耗會大大增加， 因此，即使額定 RDS(ON)相當(dāng)， 1200V 的 MOSFET 也不可用或是價格太高。

對于額定600V 的升壓開關(guān)， 可采用超結(jié) MOSFET。對高頻開關(guān)應(yīng)用，這種技術(shù)具有最佳的導(dǎo)通損耗。目前市面上有采用TO-220 封裝、 RDS(ON)值低于 100 毫歐的 MOSFET 和采用 TO-247 封裝、 RDS(ON)值低于 50 毫歐的 MOSFET。

對于需要1200V 功率開關(guān)的太陽能逆變器， IGBT 是適當(dāng)?shù)倪x擇。 較先進(jìn)的 IGBT 技術(shù)， 比如 NPT戰(zhàn)壕和 NPT領(lǐng)域停止，都針對降低導(dǎo)通損耗做了優(yōu)化， 但代價是較高的開關(guān)損耗， 這使得它們不太適合于高頻下的升壓應(yīng)用。

飛兆半導(dǎo)體在舊有NPT 平面技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種可以提高高開關(guān)頻率的升壓電路效率的器件FGL40N120AND，具有 43uJ和的 EOFF，比較采用更先進(jìn)技術(shù)器件的 EOFF 為 80uJ和A，但要獲得這種性能卻非常困難。 FGL40N120AND 器件的缺點在于飽和壓降VCE(SAT)(3.0V 相對于 125oC 的 2.1V)較高， 不過它在高升壓開關(guān)頻率下開關(guān)損耗很低的優(yōu)點已足以彌補(bǔ)這一切。 該器件還集成了反并聯(lián)二極管。 在正常升壓工作下， 該二極管不會導(dǎo)通。 然而， 在啟動期間或瞬變情況下， 升壓電路有可能被驅(qū)使進(jìn)入工作模式， 這時該反并聯(lián)二極管就會導(dǎo)通。 由于 IGBT 本身沒有固有的體二極管， 故需要這種共封裝的二極管來保證可靠的工作。

對升壓二極管，需要秘密行動？ 或碳硅二極管這樣的快速恢復(fù)二極管。碳硅二極管具有很低的正向電壓和損耗。不過目前它們的價格都很高昂。

在選擇升壓二極管時控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，必須考慮到反向恢復(fù)電流 (或碳硅二極管的結(jié)電容)對升壓開關(guān)的影響， 因為這會導(dǎo)致額外的損耗。 在這里， 新推出的秘密行動II 二極管 FFP08S60S 可以提供更高的性能。 當(dāng) VDD=390V 、 ID=8A 、 di/dt=200A和我們，且外殼溫度為 100oC 時控制工程網(wǎng)版權(quán)所有， 計算得出的開關(guān)損耗低于 FFP08S60S 的參數(shù)205mJ。而采用ISL9R860P2秘密行動二極管， 這個值則達(dá) 225mJ。故此舉也提高了逆變器在高開關(guān)頻率下的效率。

III 用于橋接和專用級的開關(guān)和二極管

濾波之后，輸出橋產(chǎn)生一個50Hz 的正弦電壓及電流信號。 一種常見的實現(xiàn)方案是采用標(biāo)準(zhǔn)全橋結(jié)構(gòu)(圖 2)。圖中若左上方和右下方的開關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個正電壓；右上方和左下方的開關(guān)導(dǎo)通，則在左右終端之間加載一個負(fù)電壓。

對于這種應(yīng)用，在某一時段只有一個開關(guān)導(dǎo)通。一個開關(guān)可被切換到PWM 高頻下CONTROL，另一開關(guān)則在 50Hz 低頻下。由于自舉電路依賴于低端器件的轉(zhuǎn)換， 故低端器件被切換到 PWM 高頻下， 而高端器件被切換到 50Hz 低頻下。

這應(yīng)用采用了600V 的功率開關(guān)，故 600V 超結(jié) MOSFET 非常適合這個高速的開關(guān)器件。 由于這些開關(guān)器件在開關(guān)導(dǎo)通時會承受其它器件的全部反向恢復(fù)電流， 因此快速恢復(fù)超結(jié)器件如 600V FCH47N60F 是十分理想的選擇。 它的 RDS(ON)為 73 毫歐， 相比其它同類的快速恢復(fù)器件其導(dǎo)通損耗很低。 當(dāng)這種器件在 50Hz 下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時控制工程網(wǎng)版權(quán)所有， 無需使用快速恢復(fù)特性。 這些器件具有出色的 dv/dt 和 di/dt 特性， 比較標(biāo)準(zhǔn)超結(jié) MOSFET 可提高系統(tǒng)的可靠性。

另一個值得探討的選擇是采用FGH30N60LSD 器件。 它是一顆飽和電壓 VCE(SAT)只有 1.1V 的 30A/600V IGBT。其關(guān)斷損耗EOFF 非常高， 達(dá) 10mJ，故只適合于低頻轉(zhuǎn)換。 一個 50 毫歐的 MOSFET 在工作溫度下導(dǎo)通阻抗 RDS(ON)為 100 毫歐。 因此在 11A 時， 具有和 IGBT 的 VCE(SAT)相同的 VDS。由于這種IGBT 基于較舊的擊穿技術(shù)， VCE(SAT)隨溫度的變化不大。 因此， 這種 IGBT 可降低輸出橋中的總體損耗， 從而提高逆變器的總體效率。

FGH30N60LSD IGBT 在每半周期從一種功率轉(zhuǎn)換技術(shù)切換到另一種專用拓?fù)涞淖龇ㄒ彩钟杏谩?IGBT 在這里被用作拓?fù)溟_關(guān)。 在較快速的轉(zhuǎn)換時則使用常規(guī)及快速恢復(fù)超結(jié)器件。

對于1200V 的專用拓?fù)浼叭珮蚪Y(jié)構(gòu)， 前面提到的 FGL40N120AND 是非常適合于新型高頻太陽能逆變器的開關(guān)。 當(dāng)專用技術(shù)需要二極管時，秘密行動II 、 Hyperfast II 二極管及碳硅二極管是很好的解決方案。