原创 用于太阳能逆变器的 650V IGBT：效率不降低，阻断电压更高

作者：飞兆半导体 Sungmo Young, Bongjoo Choi 和 Dongsoo Kim

光伏 (PV) 逆变器的设计人员已发现，使用具有高阻断电压的 IGBT 可以在几个方面帮助提高性能和可靠性。 较高的阻断电压可提高转换器的输入级范围，从而更容易处理太阳能电池板的总线电压峰值。 增加阻断电压也可使光伏逆变器更耐低温，即使在较冷的气候条件下，系统也可安装在户外。

中间点钳位拓扑

三电平中间点钳位 (3L-NPC) 拓扑不仅是高功率光伏逆变器的新趋势，而且也是低功率和中等功率逆变器的新趋势。 设计人员可能经常面临直流母线电压不平衡的问题，而且此问题不能完全解决，并可能会导致电压尖峰。 在这种情况下，提高阻断电压（如 3L-NPC 拓扑结构）能够有效帮助提高逆变器的可靠性。 这种拓扑结构也可以提高输出电压的频谱性能，在设计时可以使用更小、更便宜的过滤器。

在此类系统中，IGBT 的限制通常是 600V，因为对于 600V 以上的设备，用于弥补低 V_{CE (SAT)的技术} 会导致开关速度更慢，且开关损耗更大。

效率不降低，阻断电压更高

Fairchild 最近推出了 650V IGBT，使设计者能够不牺牲效率即可利用更高阻断电压的优势。 在对具有相同配置的 FGH60N60SMD 600V IGBT 和新型 FGA60N65SMD​​ 650V IGBT 进行横向比较时，两个设备显示出几乎相同的 V_{CE (SAT)} 特性。 正如图 1 所示，在室温和高温下且额定电流分别为最多 60A 和低于 30A 时，650V IGBT 具有略低的 V_CE(SAT)。

图 1. 直流特性： 饱和电压

图 2 显示了在 V_DD = 400V、V_GE = 15V 和 R_G = 3 Ω 条件下，开通和关断开关损耗的总和。 而且，600V 和 650V IGBT 产生的结果非常相似： 在高温和电流为额定电流一半的条件下，总开关损耗是相同的，而在室温和额定电流下，650V IGBT 的损耗要高 5％。 总体而言，在典型的工作温度和电流水平条件下，电路评估产生的结果非常接近。

图 2. 对照集电极电流的开关损耗

为了评估系统级性能，我们进行了基于 IGBT 特征数据的损耗分析，如图 1 和图 2 所示。 我们使用了全桥逆变器拓扑，目标是建立一种混合开关控制机制。 图 3 给出了每个 IGBT 的原理图和电流波形。

图 3. 对照集电极电流的开关损耗

高位的 IGBT 在高频率时开启和关闭，而低位的 IGBT 切换线路频率，为另一半电网周期提供单向传动路径。 图 4 显示了当高位 IGBT 开关频率是 17kHz、输出功率为 3kW 时，每个 IGBT 的预计功率损耗。 我们假设输入电压为 400VDC，输出电压为 220VAC，为了使计算简单，快速得到模拟结果，假设 IGBT 外壳温度为 70°C。

图 4. 预计功率损耗

降低的功率损耗

当工作频率为线频时，650V IGBT 的功率损耗似乎略小。 这是因为，即使将因共同封装二极管反向恢复电流产生的峰值电流考虑在内，IGBT 的集电极电流大约是 19A（或不到额定电流的一半）。 图 4 与图 1 和图 2 的结果是一致的。

图 5 显示了将 600V 和 650V IGBT 应用至一个额定 3kW、单相、并网光伏逆变器时的结果。 输入和输出的规格大致与采用混合频率控制全桥拓扑结构，且高位开关频率为 17kHz 的第一个例子相同。

图 5. 效率测试结果

新型 650V IGBT CEC 加权效率为 96.70％，而 600V IGBT 的加权效率为 96.62％。 系数加权在75%的最大功率 时最高，在这种情况下即功率为 2250W。

结论

设计者可以将自己的光伏逆变器从 600V IGBT 升级到 650V IGBT，以在不牺牲性能的情况下获得更高的阻断电压容量。 650V IGBT 的低饱和电压和快速开关速度相结合，使系统能够保持高效率。 增加阻断电压提高了可靠性，特别是在寒冷的环境中，IGBT 的快速软恢复功能降低了功耗，并实现了较低的开启和关闭损耗。