优化高电压IGBT造就高效率太阳能逆变器（2）

逆变器效率 　　图2展示了系统层面的全桥功率逆变器电路。就如图中所示，H桥的每一支管脚由高电流、高速栅极驱动器IC，以及独立低和高侧参考输出通道所驱动。驱动器IRS2106SPBF的浮动通道容许自举电源为高侧功率电器件工作。因此，它免除了高侧驱动对隔离式电源的需求。这有助整体系统去改善逆变器的效率和减少零件数目。当电流续流到低侧IGBT协同封装二极管，这些驱动器的自举电容器会在每个开关周期(50μs)更新。

图2 全桥功率逆变器电路

　　由于高侧Q1和Q2协同封装二极管并不受续流电流影响，同时低侧Q3及Q4拥有主要的通态耗损和非常少的开关耗损，整体系统损耗获得最小化，而系统效率就得到最大化。此外，因为在任何时间，开关都在对角器件配对Q1和Q4，或者Q2和Q3上进行，所以排除了直通的可能性。同时，每个输出驱动器IC具备高脉冲电流缓冲级以最小化驱动器的直通。这个逆变器的另一个突出功能，是它以单一直流母线供电运作。因此，排除了负直流母线的需求。简单点来说，针对整体逆变器，以上这些安排全部都可以转化为更高的效率和更少的零件数目。更少的零件也表示设计可以占更少的空间，以及拥有更简短的物料清单。

　　在这个逆变器设计中， 20V电源首先用来推动微型处理器，并且管理不同的电路。有关代码的实现，这个逆变器解决方案中采用的8位微型控制器PIC18F1320会为IGBT驱动器产生信号，由此最终提供用来驱动IGBT的信号。以专用先进高电压IC工艺过程 (G5 HVIC)以及锁存免疫CMOS技术的栅极驱动器集成高电压转换和终端技术，使驱动器能够从微型控制器的低电压输入产生适当的栅极驱动信号。有关的逻辑输入与标准CMOS或LSTTL输出相容，逻辑电压可低至3.3V。

　　超高速二极管D1和D2提供路径来把电容器C2及C3充电，并且确保高侧驱动器获得正确的动力。图3描绘出相关的输出波形。如图所示，在正输出半周期内，高侧IGBT Q1经过正弦PWM调制，但低侧Q4就保持开通状况。同样地，在负输出半周期内，高侧Q2经过正弦PWM调制，而低侧Q3则保持开通状况。这种开关技术在输出LC滤波器之后，于电容器C4的两端提供60Hz交流正弦波。

图3 电容器充电波形

　　逆变器是为500W的输出而设计，测量所得的交流输出功率是480.1W，功率损耗则是14.4W。在60Hz的频率下，交流输出电压有117.8V，输出电流是4.074A。这个配置获得97.09%的效率。利用相似的配置，将逆变器改为针对200W输出，然后再重新测量转换效率。结果显示，在这个负载下，交流功率为214W，功率耗损有6.0W，而在1.721A的输出电流下，60Hz输出电压为124.6V。在这个功率额定值下，所得的转换效率为97.28%。即使在较低一端的输出功率(100W)，我们也看到相似的效率性能。

　　简单来说，通过把适当的高电压驱动器与优化了的低侧和高侧高电压IGBT结合，我们在这里提到的太阳能逆变器设计，能够在100～500W的功率输出范围内持续提供高转换效率性能。由于转换效率非常高，所以有关的低功率损耗并不会带来任何温度管理挑战。因此，在最高500W的输出功率下，高侧IGBT (IRGB4062DPBF) 的结温大约80℃，比最高的特定结温175℃要低于一半。同样地，在一样的功率水平下，低侧IGBT (IRG4BC20SD-PBF)显示83℃的结温。同时，当输出功率达到200W左右，温度还会变得更低。