使用绝缘栅双极晶体管提高太阳能电池板的使用效率

来自太阳能电池板的能源用于直接为家用电器供电，为电池充电或直接向电网供电，以换取未来电费的信贷。这些应用需要交流电压，因此需要转换面板的直流电压以使其有用。

将太阳能电池板输出转换为更实用的交流电压的一种流行且高效的技术是使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）的太阳能逆变器拓扑结构。 IGBT特别适合这种坚固的应用。

本文介绍了一种使用IGBT的太阳能逆变器，并重点介绍了为了设计最有效的转换电路而需要考虑的组件的关键特性。还介绍了International Rectifier，Fairchild，Infineon和IXYS的IGBT产品示例，以帮助澄清问题。

IGBT的剖析

IGBT具有金属氧化物半导体（MOS）输入特性和压控双极器件的双极性输出特性。然而，因为IGBT本质上是双极器件，所以它可以处理比MOS场效应晶体管（MOSFET）更高的电流。图1显示了IGBT的基本类型及其等效电路的示意图。

图1：使用完整的太阳能逆变器电路的典型实现桥式IGBT拓扑结构。 （图片由International Rectifier提供）

与MOSFET和双极晶体管相比，IGBT具有一些关键优势。首先，除了优越的导通电流密度之外，由于电导率调制，IGBT具有非常低的导通电压降。这些因素使制造商能够以更低的成本制造具有更小芯片尺寸的器件。

其次，由于输入MOS栅极结构，IGBT具有低驱动功率和简单的驱动电路。与诸如双极晶体管的电流控制器件相比，这些器件易于控制。第三，这些器件具有出色的正向和反向阻断功能。这两个特性鼓励设计人员选择IGBT用于高电流和高电压应用。

第一代和第二代IGBT的一个缺点是开关速度比功率MOSFET慢（尽管开关速度仍然比双极器件快）。该缺点是IGBT的少数载流子结构（即，电子和空穴都对电流有贡献）的结果，由此集电极电流“拖尾”导致关断速度相对较慢。

然而，工艺技术的进步已经解决了慢速开关速度，同时仍然保持相对较低的传导损耗。例如，虽然早期的IGBT需要2 ms才能关闭，但现代“超快”IGBT的反应速度要快得多。例如，现代沟槽IGBT可以具有40至75ns范围内的关断时间（取决于集电极电流（IC）和结温）。

（高速开关使IGBT能够在MOSFET以前占主导地位的应用中竞争，例如，开关模式电源（SMPS）以100 kHz和更快的速度运行。之前，开关损耗将IGBT限制为运行在50左右的SMPS尽管由于工艺改进带来了性能改进，但IGBT仍然需要在关断时间（因此开关速度）和导通状态电压降（VCE（on））之间进行权衡。图2说明了这种关系。由于开关和传导损耗都会导致功耗（和效率），设计人员在为特定应用选择IGBT时需要考虑这种权衡。

图2：基本IGBT的结构和等效电路。 （图片由Fairchild提供）

让我们考虑一个例子。

太阳能逆变电路优化

实现太阳能逆变电路的方法有多种，但典型的实施方式采用图3所示的全桥IGBT拓扑结构。在此电路中，太阳能电池板的输出连接到高侧和低侧IGBT，然后通过输出滤波器（由L1，L2和C1组成）产生单相正弦波形。

图3：IGBT的关断时间是其集电极 - 发射极电压（VCE）的函数。 （图片由International Rectifier提供）

为了证明为工作选择正确的IGBT的重要性，请考虑太阳能电池板的直流电压对电网有贡献的应用。在这种情况下，太阳能逆变器电路必须产生具有适当功率因数的高质量AC正弦电压波形，当其直接连接到电源时不会引起问题。

一种方法是以高于20 kHz的频率对高端IGBT进行脉冲宽度调制，以产生电源连接所需的50或60 Hz输出，同时将相反的低端IGBT以50或60 Hz换向。设计人员面临的一个关键问题是如何选择IGBT以实现电路中最低的功耗，从而获得最高效的DC/AC转换。

做出正确的选择

IGBT的总功耗是由开关损耗和传导损耗的综合造成的。在高开关速度下，前者胜过后者。

在样品太阳能逆变器电路中，高端IGBT的开关频率为20 kHz，因此设计人员应考虑更快的开关产品。虽然这种IGBT比标准速度器件具有更高的传导损耗，但开关损耗更低，而不是补偿。国际整流器公司的标准平面IGBT（关断时间为700 ns）在此应用中功耗为23 W;但超快沟槽器件（40 ns）的功耗仅为7 W.相反，由于低端IGBT的开关频率为60 Hz，因此传导损耗远比开关损耗更重要。在这种情况下，更好的导电标准平面器件（VCE（on）为1.2 V）仅消耗6 W，而超快沟槽IGBT（1.6 V）消耗8 W.

设计师在交易时必须谨慎选择对开关损耗的传导损耗，有很多选择。

正如我们在上面的例子中已经看到的那样，International Rectifier提供各种各样的IGBT（见图4），并在其网站上提供了一个方便的IGBT选择工具。其他供应商具有相似的综合范围。

图4：International Rectifier提供全面的IGBT产品。

Fairchild Semiconductor包括FGAF40N60UFTU IGBT的产品组合。该器件的典型VCEon为2.3 V（IC为20 A），关断时间约为65 ns。 IGBT能够耗散100 W（25°C时）。该公司表示，该产品是高速开关非常重要的逆变器的理想选择。

英飞凌的TrenchStop IGBT包括IKW15N120T2，可处理高达1200 V的功率，功耗为235 W（25°C时）。该器件的典型VCE（on）为1.7 V（IC为15 A），关断时间约为362 ns。该公司建议该IGBT是一种坚固耐用的设备，适用于变频器和不间断电源等应用。

和IXYS提供全面的IGBT，包括GenX3系列。该系列包括IXGH100N30C3，能够处理高达300 V的电压，功耗为460 W（25°C时）。该器件的典型VCEon为1.53 V（IC为100 A），关断时间约为160 ns。 IXYS声称GenX3系列是转换器，逆变器和交流电机速度控制等其他应用的理想选择。