优化高电压

IGBT 实现高效率太阳能逆变器制作

关键字：高电压

 IGBT 太阳能 逆变器 

随着绿色电力运动势头不减，包括家电、照明和电动工具等应用，以至其他工业用设备都在
尽可能地利用太阳能的优点。为了有效地满足这些产品的需求，电源设计师正通过最少数量
的器件、高度可靠性和耐用性，以高效率把太阳能源转换成所需的交流或者直流电压。
要为这些应用以高效率生产所需的交流输出电压和电流，太阳能逆变器就需要控制、驱动器
和输出功率器件的正确组合。要达到这个目标，在这里展示了一个针对

500W 功率输出进行

优化，并且拥有

120V 及 60Hz 频率的单相正弦波的直流到交流逆变器设计。在这个设计中，

有一个

DC/DC 电压转换器连接到光伏电池板，为这个功率转换器提供 200V 直流输入。不

过在这里没有提供太阳能电池板的详细资料，因为那方面不是我们讨论的重点。
现在，市场上有不同的高级功率开关，例如金属氧化物半导体

FET(MOSFET)，双极型三

极管

(BJT)，以及绝绿栅双极晶体管(IGBT)来转换功率。然而，这个应用要达到最高的转换

效率和性能要求，就要选择正确的功率晶体管。
多年来的调查和分析显示，

IGBT 比其他功率晶体管有更多优点，当中包括更高电流能力，

利用电压而非电流来进行栅极控制，以及能够与一个超快速恢复二极管协同封装来加快关
断速度。此外，工艺技术及器件结构的精细改进也使

IGBT 的开关性能得到相当的改善。其

他优点还包括更好的通态性能，以及拥有高度耐用性和宽安全工作区。在考虑这些质量之后，
这种功率逆变器设计就会选用高电压

IGBT，作为功率开关的必然之选。

因为这个设计所实施的逆变器拓扑属于全桥，所以有关的太阳能逆变器采用了

4 个高电压

IGBT，如图 1 所示。在这个电路中，Q1 和 Q2 晶体管被指定为高侧 IGBT，而 Q3 和 Q4 则
为低侧功率器件。为了要保持总功率耗损处于低水平，但功率转换则拥有高效率，设计师要
在这个

DC/AC 逆变器解决方案正确应用低侧和高侧 IGBT 组合。

 
图

1 采用 4 个 IGBT 的逆变器设计

沟道和平面

IGBT

为了要同时把谐波和功率损耗降到最低，逆变器的高侧

IGBT 利用了脉宽调制(PWM)，同

时低侧功率器件就用

60Hz 进行变化。通过把 PWM 频率定在 20kHz 或以上操作，高侧 IGBT

有

50/60Hz 调制，输出电感器 L1 和 L2 便可以保持实际可行的较少尺寸，提供有效的谐波

滤波。再者，逆变器的可听声也可以降到最低，因为开关频率已经高于人类的听觉范围。
我们研究过采用不同

IGBT 组合的各种开关技术后，认定能够实现最低功率耗损和最高逆

变器性能的最好组合，是高侧晶体管利用超高速沟道

IGBT，而低侧部分就采用标准速度的

平面器件。与快速和标准速度平面器件比较，开关频率在

20kHz 的超高速沟道 IGBT 提供最

低的总通态和开关功率损耗组合。高侧晶体管的开关频率为

20kHz 的另外一个优点，是输

出电感器有合理的小尺寸，同时也容易进行滤波。在低侧方面，我们把标准速度平面

IGBT

的开关频率定在

60Hz，使功率损耗可以保持在最低的水平。

当我们细看高电压

(600V)超高速沟道 IGBT 的开关性能，便会知道这些器件为 20kHz 的开

关频率进行了优化。这使设计在相关的频率下能够保持最少的开关损耗，包括集电极到发射
极的饱和电压

Vce(on)及总开关能量 ETS。结果，总通态和开关功率损耗便可以维持在最低