中心議題：

• 討論如何為太陽能逆變器應用選擇IGBT
• 如何選擇到合適的功率元件

解決方案：

• 利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT
• 使太陽能應用的功耗降至最低

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如ru今jin市shi場chang上shang先xian進jin功gong率lv元yuan件jian的de種zhong類lei數shu不bu勝sheng數shu
，工gong程cheng人ren員yuan要yao為wei一yi項xiang應ying用yong選xuan擇ze到dao合he適shi的de功gong率lv元yuan件jian，的de確que是shi一yi項xiang艱jian巨ju的de工gong作zuo。就jiu以yi太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi應ying用yong來lai說shuo，絕jue緣yuan柵zha雙shuang極ji晶jing體ti管guan (IGBT) 能比其他功率元件提供更多的效益，其中包括高載流能力
、以電壓而非電流進行控製，並能使逆並聯二極管與IGBT配合。本文將介紹如果利用全橋逆變器拓撲及選用合適的IGBT
，使太陽能應用的功耗降至最低。 太陽能逆變器是一種功率電子電路，能把太陽能電池板的直流電壓轉換為交流電壓來驅動家用電器
、照明及電機工具等交流負載。如圖1所示，太陽能逆變器的典型架構一般采用四個開關的全橋拓撲。

在圖1中， Q1 和Q3被指定為高壓側IGBT
，Q2 和Q4 則是低壓側 IGBT。 gainibianqiyongyuzaiqimubiaoshichangdepinlvhedianyatiaojianxia，chanshengdanxiangweizhengxiandianyaboxing。youxienibianqiyongyulianjiejingjiliangxiaoyidianwangdezhuzhaianzhuang，zhejiushiqizhongyigemubiaoyingyongshichang，cixiangyingyongyaoqiunibianqitigongdixiebojiaoliuzhengxiandianya
，rangdianlikezhurudianwangzhong

為滿足這個要求
，IGBT可在20kHz或以上頻率的情況下


，對50Hz或60Hz的頻率進行脈寬調製
，因此輸出電感器L1和L2便(bian)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)合(he)理(li)的(de)小(xiao)巧(qiao)體(ti)積(ji)，並(bing)能(neng)有(you)效(xiao)抑(yi)製(zhi)諧(xie)波(bo)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)其(qi)轉(zhuan)換(huan)頻(pin)率(lv)高(gao)出(chu)人(ren)類(lei)的(de)正(zheng)常(chang)聽(ting)覺(jiao)頻(pin)譜(pu)，因(yin)此(ci)該(gai)設(she)計(ji)也(ye)可(ke)盡(jin)量(liang)減(jian)少(shao)逆(ni)變(bian)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)可(ke)聽(ting)噪(zao)聲(sheng)。

脈寬調製這些IGBT的最佳方法是什麼？怎樣才能把功耗降到最低呢？方法之一是僅對高壓側IGBT進行脈寬調製，對應的低壓側IGBT以50Hz或60Hz換相。圖2所示為一個典型的柵壓信號。當Q1 正進行脈寬調製時，Q4維持正半周期操作。Q2和Q3在正半周期保持關斷 。到了負半周期
，當Q3進行脈寬調製時

，Q2保持開啟狀態。Q1和Q4會在負半周期關斷。圖2 也顯示了通過輸出濾波電容器C1的AC正弦電壓波形。 此變換技術具有以下優點：(1)電流不會在高壓側反並二極管上自由流動
，因此可把不必要的損耗低至最低。(2)低壓側IGBT隻會在50Hz或60Hz工頻進行切換，主要是導通損耗。(3)由於同一相上的IGBT絕對不會以互補的方式進行轉換，所以不可能出現總線短路擊穿情況。(4)可優化低壓側IGBT的反並聯二極管
，以盡量減低續流和反向恢複導致的損耗。
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IGBT技術

IGBT基本上是具備金屬門氧化物門結構的雙極型晶體管 (BJT) 。這種設計讓IGBT的柵極可以像MOSFET一樣，以電壓代替電流來控製開關。作為一種BJT
，IGBT的電流處理能力比MOSFET更高。同時
，IGBT亦如BJT一樣是一種少數載體元件。這意味著 IGBT關閉的速度是由少數載體複合的速度快慢來決定。此外

，IGBT的關閉時間與它的集極-射極飽和電壓 (Vce(on)) 成反比(如圖3所示)。 以圖3為例，若IGBT擁有相同的體積和技術，一個超速IGBT比一個標準速度的IGBT擁有更高的Vce(on) 。然而，超速IGBT的關閉速度卻比標準IGBT快得多。圖3反映的這種關係，是通過控製IGBT的少數載體複合率的使用周期以影響關閉時間來實現的。

表1顯示了四個擁有相同尺寸的IGBT的參數值。前三個IGBT采用同樣的平麵式技術，但使用不同的壽命複合控製計量。從表中可見，標準速度的IGBT具有最低Vce(on) ，但與快速和超速平麵式IGBT相比
，標準速度的IGBT下降時間最慢。第四個IGBT是經優化的槽柵IGBT
，能夠為太陽能逆變器這類高頻率切換應用提供低導通和開關損耗。請注意，槽柵IGBT的Vce(on) 和總切換損耗 (Ets) 比超速平麵式IGBT低。  

高壓側IGBT

前文討論了高壓側 IGBT在20kHz或以上頻率進行切換。假設設計一個擁有230V交流輸出的1.5kW 太陽能逆變器

，表1中哪種IGBT具有最低的功耗呢？圖4顯示了IGBT在20kHz進行切換的功耗分析，由此可見超速平麵式IGBT比其它兩種平麵式 IGBT具有更低的總功耗。
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在20kHz下，開關損耗明顯成為總功耗的重要部分。同時，標準速度IGBT的導通損耗雖然最低，但其開關損耗卻最大
，並不適合充當高壓側IGBT。
 

最新的600V 槽柵IGBT 專為20kHz的切換進行了優化。如圖五所示，這種IGBT比以往的平麵式IGBT提供較低的總功耗。因此，為了讓太陽能逆變器的設計能夠達到最高效率，槽柵IGBT是高壓側IGBT的首選元件。 低壓側IGBT

低壓側IGBT同樣有同一問題。究竟哪一種IGBT才能提供最低的功耗？由於這些IGBT隻會進行 50Hz或60Hz切換，如圖5所示，標準速度IGBT可提供最低的功耗。雖然標準IGBT會帶來一些開關損耗

，但數值並不足以影響IGBT的總功耗。事實上，最新的槽柵IGBT仍然擁有較高的功耗
，因為這一代的槽柵IGBT專門針對高頻率應用而設計
，以平衡開關和導通損耗為目標。因此，對低壓側IGBT 來說，標準速度平麵式IGBT仍然是必然選擇。

本文小結

本文分析了太陽能逆變器應用的全橋拓撲。這種拓撲利用正弦脈寬調製技術，在高於20kHz情況下
，為高壓側IGBT 進行轉換。支線的低壓側IGBT決於輸出頻率要求
，在50Hz或60Hz進行轉換。若挑選最新的600V槽柵IGBT，其總功耗將會在20kHz下達到最低。在低壓側IGBT方麵，標準速度平麵式IGBT是最佳選擇。標準速度IGBT在50Hz或60Hz下擁有最低的導通損耗，其開關損耗對整體功耗來說微不足道。因此
，工程師隻要正確選擇IGBT組合

， 就能將太陽能逆變器應用的功耗降至最低。