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(wǎng)供電，以換取未來電費(fèi)的信貸。這些應(yīng)用需要交流電壓，因此需要轉(zhuǎn)換面板的直流電壓以使其有用。

將太陽能電池板輸出轉(zhuǎn)換為更實(shí)用的交流電壓的一種流行且高效的技術(shù)是使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的太陽能逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 IGBT特別適合這種堅(jiān)固的應(yīng)用。

本文介紹了一種使用IGBT的太陽能逆變器，并重點(diǎn)介紹了為了設(shè)計(jì)最有效的轉(zhuǎn)換電路而需要考慮的組件的關(guān)鍵特性。還介紹了International Rectifier，Fairchild，Infineon和IXYS的IGBT產(chǎn)品示例，以幫助澄清問題。

IGBT的剖析

IGBT具有金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）輸入特性和壓控雙極器件的雙極性輸出特性。然而，因?yàn)镮GBT本質(zhì)上是雙極器件，所以它可以處理比MOS場(chǎng)效應(yīng)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(shí)現(xiàn)橋式IGBT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 （圖片由International Rectifier提供）

與MOSFET和雙極晶體管相比，IGBT具有一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，除了優(yōu)越的導(dǎo)通電流密度之外，由于電導(dǎo)率調(diào)制，IGBT具有非常低的導(dǎo)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(jié)構(gòu)，IGBT具有低驅(qū)動(dòng)功率和簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)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(gè)特性鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員選擇IGBT用于高電流和高電壓應(yīng)用。

第一代和第二代IGBT的一個(gè)缺點(diǎn)是開關(guān)速度比功率MOSFET慢（盡管開關(guān)速度仍然比雙極器件快）。該缺點(diǎn)是IGBT的少數(shù)載流子結(jié)構(gòu)（即，電子和空穴都對(duì)電流有貢獻(xiàn)）的結(jié)果，由此集電極電流“拖尾”導(dǎo)致關(guān)斷速度相對(duì)較慢。

然而，工藝技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)解決了慢速開關(guān)速度，同時(shí)仍然保持相對(duì)較低的傳導(dǎo)損耗。例如，雖然早期的IGBT需要2 ms才能關(guān)閉，但現(xiàn)代“超快”IGBT的反應(yīng)速度要快得多。例如，現(xiàn)代溝槽IGBT可以具有40至75ns范圍內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間（取決于集電極電流（IC）和結(jié)溫）。

（高速開關(guān)使IGBT能夠在MOSFET以前占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中競(jìng)爭(zhēng)，例如，開關(guān)模式電源（SMPS）以100 kHz和更快的速度運(yùn)行。之前，開關(guān)損耗將IGBT限制為運(yùn)行在50左右的SMPS盡管由于工藝改進(jìn)帶來了性能改進(jìn)，但I(xiàn)GBT仍然需要在關(guān)斷時(shí)間（因此開關(guān)速度）和導(dǎo)通狀態(tài)電壓降（VCE（on））之間進(jìn)行權(quán)衡。圖2說明了這種關(guān)系。由于開關(guān)和傳導(dǎo)損耗都會(huì)導(dǎo)致功耗（和效率），設(shè)計(jì)人員在為特定應(yīng)用選擇IGBT時(shí)需要考慮這種權(quán)衡。

圖2：基本IGBT的結(jié)構(gòu)和等效電路。 （圖片由Fairchild提供）

讓我們考慮一個(gè)例子。

太陽能逆變電路優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)太陽能逆變電路的方法有多種，但典型的實(shí)施方式采用圖3所示的全橋IGBT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此電路中，太陽能電池板的輸出連接到高側(cè)和低側(cè)IGBT，然后通過輸出濾波器（由L1，L2和C1組成）產(chǎn)生單相正弦波形。

圖3：IGBT的關(guān)斷時(shí)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(qǐng)考慮太陽能電池板的直流電壓對(duì)電網(wǎng)有貢獻(xiàn)的應(yīng)用。在這種情況下，太陽能逆變器電路必須產(chǎn)生具有適當(dāng)功率因數(shù)的高質(zhì)量AC正弦電壓波形，當(dāng)其直接連接到電源時(shí)不會(huì)引起問題。

一種方法是以高于20 kHz的頻率對(duì)高端IGBT進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，以產(chǎn)生電源連接所需的50或60 Hz輸出，同時(shí)將相反的低端IGBT以50或60 Hz換向。設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何選擇IGBT以實(shí)現(xiàn)電路中最低的功耗，從而獲得最高效的DC/AC轉(zhuǎn)換。

做出正確的選擇

IGBT的總功耗是由開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗的綜合造成的。在高開關(guān)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(guān)頻率為20 kHz，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮更快的開關(guān)產(chǎn)品。雖然這種IGBT比標(biāo)準(zhǔn)速度器件具有更高的傳導(dǎo)損耗，但開關(guān)損耗更低，而不是補(bǔ)償。國際整流器公司的標(biāo)準(zhǔn)平面IGBT（關(guān)斷時(shí)間為700 ns）在此應(yīng)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(guān)頻率為60 Hz，因此傳導(dǎo)損耗遠(yuǎn)比開關(guān)損耗更重要。在這種情況下，更好的導(dǎo)電標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)師在交易時(shí)必須謹(jǐn)慎選擇對(duì)開關(guān)損耗的傳導(dǎo)損耗，有很多選擇。

正如我們?cè)谏厦娴睦又幸呀?jīng)看到的那樣，International Rectifier提供各種各樣的IGBT（見圖4），并在其網(wǎng)站上提供了一個(gè)方便的IGBT選擇工具。其他供應(yīng)商具有相似的綜合范圍。

圖4：International Rectifier提供全面的IGBT產(chǎn)品。

Fairchild Semiconductor包括FGAF40N60UFTU IGBT的產(chǎn)品組合。該器件的典型VCEon為2.3 V（IC為20 A），關(guān)斷時(shí)間約為65 ns。 IGBT能夠耗散100 W（25°C時(shí)）。該公司表示，該產(chǎn)品是高速開關(guān)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(dá)1200 V的功率，功耗為235 W（25°C時(shí)）。該器件的典型VCE（on）為1.7 V（IC為15 A），關(guān)斷時(shí)間約為362 ns。該公司建議該IGBT是一種堅(jiān)固耐用的設(shè)備，適用于變頻器和不間斷電源等應(yīng)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(dá)300 V的電壓，功耗為460 W（25°C時(shí)）。該器件的典型VCEon為1.53 V（IC為100 A），關(guān)斷時(shí)間約為160 ns。 IXYS聲稱GenX3系列是轉(zhuǎn)換器，逆變器和交流電機(jī)速度控制等其他應(yīng)用的理想選擇。