使用絕緣柵雙極晶體管提高太陽能電池板的使用效率

來自太陽能電池板的能源用于直接為家用電器供電，為電池充電或直接向電網供電，以換取未來電費的信貸。這些應用需要交流電壓，因此需要轉換面板的直流電壓以使其有用。

將太陽能電池板輸出轉換為更實用的交流電壓的一種流行且高效的技術是使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的太陽能逆變器拓撲結構。 IGBT特別適合這種堅固的應用。

本文介紹了一種使用IGBT的太陽能逆變器，并重點介紹了為了設計最有效的轉換電路而需要考慮的組件的關鍵特性。還介紹了International Rectifier，Fairchild，Infineon和IXYS的IGBT產品示例，以幫助澄清問題。

IGBT的剖析

IGBT具有金屬氧化物半導體（MOS）輸入特性和壓控雙極器件的雙極性輸出特性。然而，因為IGBT本質上是雙極器件，所以它可以處理比MOS場效應晶體管（MOSFET）更高的電流。圖1顯示了IGBT的基本類型及其等效電路的示意圖。

圖1：使用完整的太陽能逆變器電路的典型實現(xiàn)橋式IGBT拓撲結構。 （圖片由International Rectifier提供）

與MOSFET和雙極晶體管相比，IGBT具有一些關鍵優(yōu)勢。首先，除了優(yōu)越的導通電流密度之外，由于電導率調制，IGBT具有非常低的導通電壓降。這些因素使制造商能夠以更低的成本制造具有更小芯片尺寸的器件。

其次，由于輸入MOS柵極結構，IGBT具有低驅動功率和簡單的驅動電路。與諸如雙極晶體管的電流控制器件相比，這些器件易于控制。第三，這些器件具有出色的正向和反向阻斷功能。這兩個特性鼓勵設計人員選擇IGBT用于高電流和高電壓應用。

第一代和第二代IGBT的一個缺點是開關速度比功率MOSFET慢（盡管開關速度仍然比雙極器件快）。該缺點是IGBT的少數(shù)載流子結構（即，電子和空穴都對電流有貢獻）的結果，由此集電極電流“拖尾”導致關斷速度相對較慢。

然而，工藝技術的進步已經解決了慢速開關速度，同時仍然保持相對較低的傳導損耗。例如，雖然早期的IGBT需要2 ms才能關閉，但現(xiàn)代“超快”IGBT的反應速度要快得多。例如，現(xiàn)代溝槽IGBT可以具有40至75ns范圍內的關斷時間（取決于集電極電流（IC）和結溫）。

（高速開關使IGBT能夠在MOSFET以前占主導地位的應用中競爭，例如，開關模式電源（SMPS）以100 kHz和更快的速度運行。之前，開關損耗將IGBT限制為運行在50左右的SMPS盡管由于工藝改進帶來了性能改進，但IGBT仍然需要在關斷時間（因此開關速度）和導通狀態(tài)電壓降（VCE（on））之間進行權衡。圖2說明了這種關系。由于開關和傳導損耗都會導致功耗（和效率），設計人員在為特定應用選擇IGBT時需要考慮這種權衡。

圖2：基本IGBT的結構和等效電路。 （圖片由Fairchild提供）

讓我們考慮一個例子。

太陽能逆變電路優(yōu)化

實現(xiàn)太陽能逆變電路的方法有多種，但典型的實施方式采用圖3所示的全橋IGBT拓撲結構。在此電路中，太陽能電池板的輸出連接到高側和低側IGBT，然后通過輸出濾波器（由L1，L2和C1組成）產生單相正弦波形。

圖3：IGBT的關斷時間是其集電極 - 發(fā)射極電壓（VCE）的函數(shù)。 （圖片由International Rectifier提供）

為了證明為工作選擇正確的IGBT的重要性，請考慮太陽能電池板的直流電壓對電網有貢獻的應用。在這種情況下，太陽能逆變器電路必須產生具有適當功率因數(shù)的高質量AC正弦電壓波形，當其直接連接到電源時不會引起問題。

一種方法是以高于20 kHz的頻率對高端IGBT進行脈沖寬度調制，以產生電源連接所需的50或60 Hz輸出，同時將相反的低端IGBT以50或60 Hz換向。設計人員面臨的一個關鍵問題是如何選擇IGBT以實現(xiàn)電路中最低的功耗，從而獲得最高效的DC/AC轉換。

做出正確的選擇

IGBT的總功耗是由開關損耗和傳導損耗的綜合造成的。在高開關速度下，前者勝過后者。

在樣品太陽能逆變器電路中，高端IGBT的開關頻率為20 kHz，因此設計人員應考慮更快的開關產品。雖然這種IGBT比標準速度器件具有更高的傳導損耗，但開關損耗更低，而不是補償。國際整流器公司的標準平面IGBT（關斷時間為700 ns）在此應用中功耗為23 W;但超快溝槽器件（40 ns）的功耗僅為7 W.相反，由于低端IGBT的開關頻率為60 Hz，因此傳導損耗遠比開關損耗更重要。在這種情況下，更好的導電標準平面器件（VCE（on）為1.2 V）僅消耗6 W，而超快溝槽IGBT（1.6 V）消耗8 W.

設計師在交易時必須謹慎選擇對開關損耗的傳導損耗，有很多選擇。

正如我們在上面的例子中已經看到的那樣，International Rectifier提供各種各樣的IGBT（見圖4），并在其網站上提供了一個方便的IGBT選擇工具。其他供應商具有相似的綜合范圍。

圖4：International Rectifier提供全面的IGBT產品。

Fairchild Semiconductor包括FGAF40N60UFTU IGBT的產品組合。該器件的典型VCEon為2.3 V（IC為20 A），關斷時間約為65 ns。 IGBT能夠耗散100 W（25°C時）。該公司表示，該產品是高速開關非常重要的逆變器的理想選擇。

英飛凌的TrenchStop IGBT包括IKW15N120T2，可處理高達1200 V的功率，功耗為235 W（25°C時）。該器件的典型VCE（on）為1.7 V（IC為15 A），關斷時間約為362 ns。該公司建議該IGBT是一種堅固耐用的設備，適用于變頻器和不間斷電源等應用。

和IXYS提供全面的IGBT，包括GenX3系列。該系列包括IXGH100N30C3，能夠處理高達300 V的電壓，功耗為460 W（25°C時）。該器件的典型VCEon為1.53 V（IC為100 A），關斷時間約為160 ns。 IXYS聲稱GenX3系列是轉換器，逆變器和交流電機速度控制等其他應用的理想選擇。