- 最小損耗和最高效率是太陽能逆變器最重要的兩項指標
- 逆變器系統(tǒng)的智能化設計和使用最先進工藝的功率半導體是實現(xiàn)高效率的關鍵所在
簡介
太陽能光伏系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛。尤其是移動系統(tǒng)，不用花一分錢，就從太陽能中受益。同時由于常規(guī)電能成本不斷攀升，太陽能對家庭應用具有很大的吸引力。太陽能電池本身和連接太陽能電池與公共電網(wǎng)或分布電源的太陽能逆變器的能源效率，是這一技術取得成功的關鍵所在。如今，最大輸出功率為5kW的高級太陽能逆變器擁有兩級拓撲。圖1顯示了此類太陽能逆變器的多組配置。
每組都和自己的功率調節(jié)器相連，然后連接至共用直流母線。功率調節(jié)器能夠使太陽能電池以最大效率工作。太陽能逆變器可產(chǎn)生饋入市電的交流電壓。請注意，圖1所示的電源網(wǎng)是一種可用于任何逆變器拓撲的虛設電路，外加一個市電變壓器和一個輸出濾波器，變壓器可阻止直流分量進入市電。
但是，也有一些系統(tǒng)是不用變壓器的，這取決于太陽能逆變器銷售所在國家的法律背景。允許不采用變壓器的國家的目的是提高系統(tǒng)效率，因為變壓器導致效率下降1~2個百分點。另一方面，逆變器必需避免直流分量, 要求電流小于5mA。雖然這很難做到，但是為了獲得更高的效率，我們還是成功地實現(xiàn)了。表1給出了每一級對系統(tǒng)損耗、系統(tǒng)尺寸和系統(tǒng)成本的貢獻值。
但是，也有一些系統(tǒng)是不用變壓器的，這取決于太陽能逆變器銷售所在國家的法律背景。允許不采用變壓器的國家的目的是提高系統(tǒng)效率，因為變壓器導致效率下降1~2個百分點。另一方面，逆變器必需避免直流分量, 要求電流小于5mA。雖然這很難做到，但是為了獲得更高的效率，我們還是成功地實現(xiàn)了。表1給出了每一級對系統(tǒng)損耗、系統(tǒng)尺寸和系統(tǒng)成本的貢獻值。
很容易可以看出，變壓器是系統(tǒng)損耗和成本的主要貢獻者。然而，變壓器在許多國家是必須使用的，因此，它不在減小損耗的考慮范圍之內(nèi)。輸出濾波器可減弱由輸出逆變器級產(chǎn)生的電流紋波，該濾波器的大小和成本與逆變器開關頻率成反比。開關頻率越高，濾波器的尺寸越小、價格越便宜。但是，這種關系與硬轉換狀態(tài)下開關頻率和開關損耗之間的關系形成了折衷——開關頻率越高，損耗越大，因此效率就越低。從16kHz~20kHz的開關頻率，由于具備較低音頻噪聲和較高效率，可以滿足太陽能逆變器的要求。因此，功率電路還有待于進一步研究。
下文將比較適用于這兩級的幾種半導體技術的優(yōu)勢。[page]
1.用于DC/AC升壓變換器的功率半導體
DC/DC變換器是在100kHz或以上的開關頻率下狀態(tài)下運行的。變換器以連續(xù)模式運行，這意味著，升壓電感器內(nèi)的電流在額定條件下會產(chǎn)生連續(xù)波形。當晶體管關閉時，二極管作為續(xù)流二極管使用時，晶體管可為電感器充電。這就是說，當晶體管再次打開時，二極管可以主動關閉。下圖給出了常用硅二極管的典型反向恢復特性(圖2中的黑色和紅色曲線)。
下文將比較適用于這兩級的幾種半導體技術的優(yōu)勢。[page]
1.用于DC/AC升壓變換器的功率半導體
DC/DC變換器是在100kHz或以上的開關頻率下狀態(tài)下運行的。變換器以連續(xù)模式運行，這意味著，升壓電感器內(nèi)的電流在額定條件下會產(chǎn)生連續(xù)波形。當晶體管關閉時，二極管作為續(xù)流二極管使用時，晶體管可為電感器充電。這就是說，當晶體管再次打開時，二極管可以主動關閉。下圖給出了常用硅二極管的典型反向恢復特性(圖2中的黑色和紅色曲線)。
硅二極管的反向恢復特性，在升壓晶體管和相應的二極管中都會產(chǎn)生較高的損耗。而碳化硅二極管就沒有這一問題(如圖2中藍色曲線所示)。只是由于電容性產(chǎn)生一個二極管瞬間負電流，這是由二極管的結電容電荷引起的。碳化硅二極管可大大減少晶體管的開通損耗和二極管的關斷損耗，還可減少電磁干擾，因為波形非常平滑，沒有振蕩。
以往曾經(jīng)報道過很多避免由二極管的反向恢復特性造成損耗的工藝，例如零電壓開關的零電流開關等。所有這些都會大大增加元件數(shù)量和系統(tǒng)的復雜程度，結果經(jīng)常使穩(wěn)定性下降。特別值得提出的是，即使是在硬開關狀態(tài)下通過使用碳化硅肖特基二極管，也可以用最少的元件實現(xiàn)軟開關相同的效率。
高開關頻率同樣要求高性能的升壓晶體管。超級結晶體管(如 CoolMOS)的引進，為進一步降低MOSFET 的單位面積導通電阻RDS(on) 帶來了希望，如圖3所示。
以往曾經(jīng)報道過很多避免由二極管的反向恢復特性造成損耗的工藝，例如零電壓開關的零電流開關等。所有這些都會大大增加元件數(shù)量和系統(tǒng)的復雜程度，結果經(jīng)常使穩(wěn)定性下降。特別值得提出的是，即使是在硬開關狀態(tài)下通過使用碳化硅肖特基二極管，也可以用最少的元件實現(xiàn)軟開關相同的效率。
高開關頻率同樣要求高性能的升壓晶體管。超級結晶體管(如 CoolMOS)的引進，為進一步降低MOSFET 的單位面積導通電阻RDS(on) 帶來了希望，如圖3所示。
很容易可以看出，與標準工藝相比，單位面積RDS(on)大概比CoolMOS低4倍~5倍。這意味著，在標準封裝中，CoolMOS可實現(xiàn)最低絕對導通電阻值。這將帶來最低導通損耗和最高效率。CoolMOS 工藝的單位面積RDS(on)表現(xiàn)出更好的線性度。當電壓為600V時，CoolMOS的優(yōu)勢顯而易見，如果電壓更高，其優(yōu)勢就會加大。目前，最高的電壓級為800V。
經(jīng)多次研究表明：使用碳化硅二極管和超級結MOSFET如CoolMOS,優(yōu)于采用標準的MOSFET和二極管工藝(如圖4所示)解決方案。
經(jīng)多次研究表明：使用碳化硅二極管和超級結MOSFET如CoolMOS,優(yōu)于采用標準的MOSFET和二極管工藝(如圖4所示)解決方案。
[page] 2.用于逆變器的功率半導體
輸出逆變器連接直流母線和電網(wǎng)。通常，開關頻率沒有DC/DC變換器的高。輸出變換器必須處理由所有組變換器產(chǎn)生的電流總和。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是在這一逆變器使用的理想器件。圖5給出了IGBT工藝的兩個橫截面。
輸出逆變器連接直流母線和電網(wǎng)。通常，開關頻率沒有DC/DC變換器的高。輸出變換器必須處理由所有組變換器產(chǎn)生的電流總和。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是在這一逆變器使用的理想器件。圖5給出了IGBT工藝的兩個橫截面。
兩種工藝都采用了晶圓減薄工藝，旨在降低導通損耗以及由襯底厚度太大造成的開關損耗。標準工藝和 TrenchStop工藝是非外延 IGBT工藝，沒有采用晶體管生長工藝,因為此類工藝流程的成本很高，因為阻斷電壓是根據(jù)增長晶體的厚度來決定的。
在斷開狀態(tài)下，標準NPT 單元在半導體內(nèi)部形成了一個三角形的電場。所有阻斷電壓都被襯底的n區(qū)域吸收(取決于其厚度)，以使電場在進入集電極區(qū)域之前降到0.600V。芯片的厚度是120mm，1200V芯片的厚度是170mm。 飽和電壓為正溫度系數(shù)，從而簡化了并聯(lián)使用。
TrenchStop 工藝是先進的溝槽柵(trench gate)和場終止層(fieldstop)概念的結合，可以進一步降低導通損耗。 Trench gate工藝提供更高的溝道寬度，從而減小了溝道電阻。ndoped 場終止層只執(zhí)行一項任務：以極低的斷態(tài)電壓值抑制電場。這為設計出電場在n襯底層中幾乎是水平分布的創(chuàng)造了條件。這說明，材料的電阻非常低，因而在導通過程中，電壓降很低。電場終止層的優(yōu)勢，可通過進一步降低芯片的厚度得以發(fā)揮，從而實現(xiàn)上述所有優(yōu)越性。采用TrenchStop工藝也可實現(xiàn)并聯(lián)。
表2給出了阻斷電壓為600V和1200V的IGBT的比較。對于這三種工藝來說，所使用的晶體管的額定功率都保持恒定。這就是說，電壓為600V時器件的電流，是電壓為1200V時器件的兩倍。也就是說，一個50A/600V的器件相當于兩個25A/1200V的器件。
在斷開狀態(tài)下，標準NPT 單元在半導體內(nèi)部形成了一個三角形的電場。所有阻斷電壓都被襯底的n區(qū)域吸收(取決于其厚度)，以使電場在進入集電極區(qū)域之前降到0.600V。芯片的厚度是120mm，1200V芯片的厚度是170mm。 飽和電壓為正溫度系數(shù)，從而簡化了并聯(lián)使用。
TrenchStop 工藝是先進的溝槽柵(trench gate)和場終止層(fieldstop)概念的結合，可以進一步降低導通損耗。 Trench gate工藝提供更高的溝道寬度，從而減小了溝道電阻。ndoped 場終止層只執(zhí)行一項任務：以極低的斷態(tài)電壓值抑制電場。這為設計出電場在n襯底層中幾乎是水平分布的創(chuàng)造了條件。這說明，材料的電阻非常低，因而在導通過程中，電壓降很低。電場終止層的優(yōu)勢，可通過進一步降低芯片的厚度得以發(fā)揮，從而實現(xiàn)上述所有優(yōu)越性。采用TrenchStop工藝也可實現(xiàn)并聯(lián)。
表2給出了阻斷電壓為600V和1200V的IGBT的比較。對于這三種工藝來說，所使用的晶體管的額定功率都保持恒定。這就是說，電壓為600V時器件的電流，是電壓為1200V時器件的兩倍。也就是說，一個50A/600V的器件相當于兩個25A/1200V的器件。
從上表可以看出，與1200V的器件相比較，600V TrenchStop工藝可以將開關和導通損耗降低50%。因此， 對于整個系統(tǒng)來說，盡可能地使用600V工藝的優(yōu)異性能是很重要的。1200V TrenchStop工藝專為實現(xiàn)低導通損耗而進一步優(yōu)化。因此，F(xiàn)ast工藝或 TrenchStop產(chǎn)品家族哪個更具有優(yōu)異性能, 取決于開關頻率。
IGBT通常還需要一個續(xù)流二極管，以使其能夠續(xù)流，這是EmCon工藝的一個特殊優(yōu)化版本。它是根據(jù)600V系列器件的15kHz開關頻率進行優(yōu)化的。過去認為，續(xù)流二極管必須具備非常低的導通電壓以實現(xiàn)最低總損耗。根據(jù)應用要求可進行其它優(yōu)化，以使二極管和IGBT中的總損耗更低。這說明，在頻率約為16kHz的IGBT和二極管的應用中，為實現(xiàn)低開關損耗，更高的正向電壓降更為合適。
這一點在圖6(600V系列)中得以說明。左柱表示TrenchStop IGBT和EmCon3工藝中EmCon 二極管的損耗。右柱表示TrenchStop IGBT和為實現(xiàn)低傳導損耗而進行優(yōu)化后的二極管(稱為Emcon2工藝)的損耗。右柱中的同一二極管與采用英飛凌的Fast工藝(600V)的IGBT結合使用。條形圖中黃色和橙色的部分分別代表IGBT的導通損耗和開關損耗。深藍色和淺藍色部分分別是二極管的導通損耗和開關損耗。
IGBT通常還需要一個續(xù)流二極管，以使其能夠續(xù)流，這是EmCon工藝的一個特殊優(yōu)化版本。它是根據(jù)600V系列器件的15kHz開關頻率進行優(yōu)化的。過去認為，續(xù)流二極管必須具備非常低的導通電壓以實現(xiàn)最低總損耗。根據(jù)應用要求可進行其它優(yōu)化，以使二極管和IGBT中的總損耗更低。這說明，在頻率約為16kHz的IGBT和二極管的應用中，為實現(xiàn)低開關損耗，更高的正向電壓降更為合適。
這一點在圖6(600V系列)中得以說明。左柱表示TrenchStop IGBT和EmCon3工藝中EmCon 二極管的損耗。右柱表示TrenchStop IGBT和為實現(xiàn)低傳導損耗而進行優(yōu)化后的二極管(稱為Emcon2工藝)的損耗。右柱中的同一二極管與采用英飛凌的Fast工藝(600V)的IGBT結合使用。條形圖中黃色和橙色的部分分別代表IGBT的導通損耗和開關損耗。深藍色和淺藍色部分分別是二極管的導通損耗和開關損耗。
很容易看出，在開關頻率為16kHz，負荷角的余弦值為 0.7和額定電流的情況下，Emcon3二極管在導通過程中會產(chǎn)生更高損耗(深藍色)，但能得到更好的開關性能。因此，就這一點而言，二極管本身已經(jīng)是很好的選擇了。 此外，它還降低了IGBT在開通過程中的開關損耗。上述第2部分的考慮事項同樣適用于此處。 使用優(yōu)化的EmCon二極管可使損耗降低1W左右，這是它的一個優(yōu)勢。請注意，當負荷角接近1的時候，開關損耗將成為主要的損耗，因為二極管只在輸出逆變器死區(qū)期間導通。
結論
功率半導體器件需要具備不同的特性，才能在太陽能逆變器應用中達到最高效率。新工藝的出現(xiàn)，如碳化硅半導體二極管或TrenchStop IGBT等， 正在幫助人們實現(xiàn)這一目標。當然，要實現(xiàn)這一目標，不僅要對單個器件進行優(yōu)化， 而且還要對這些器件組合在一起發(fā)生作用的方式進行優(yōu)化。 這將實現(xiàn)最小損耗和最高效率，而這正是太陽能逆變器最重要的兩項指標。
結論
功率半導體器件需要具備不同的特性，才能在太陽能逆變器應用中達到最高效率。新工藝的出現(xiàn)，如碳化硅半導體二極管或TrenchStop IGBT等， 正在幫助人們實現(xiàn)這一目標。當然，要實現(xiàn)這一目標，不僅要對單個器件進行優(yōu)化， 而且還要對這些器件組合在一起發(fā)生作用的方式進行優(yōu)化。 這將實現(xiàn)最小損耗和最高效率，而這正是太陽能逆變器最重要的兩項指標。
