- 最小損耗和最高效率是太陽(yáng)能逆變器最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)
- 逆變器系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)和使用最先進(jìn)工藝的功率半導(dǎo)體是實(shí)現(xiàn)高效率的關(guān)鍵所在
簡(jiǎn)介
太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。尤其是移動(dòng)系統(tǒng)，不用花一分錢(qián)，就從太陽(yáng)能中受益。同時(shí)由于常規(guī)電能成本不斷攀升，太陽(yáng)能對(duì)家庭應(yīng)用具有很大的吸引力。太陽(yáng)能電池本身和連接太陽(yáng)能電池與公共電網(wǎng)或分布電源的太陽(yáng)能逆變器的能源效率，是這一技術(shù)取得成功的關(guān)鍵所在。如今，最大輸出功率為5kW的高級(jí)太陽(yáng)能逆變器擁有兩級(jí)拓?fù)洹D1顯示了此類(lèi)太陽(yáng)能逆變器的多組配置。
每組都和自己的功率調(diào)節(jié)器相連，然后連接至共用直流母線。功率調(diào)節(jié)器能夠使太陽(yáng)能電池以最大效率工作。太陽(yáng)能逆變器可產(chǎn)生饋入市電的交流電壓。請(qǐng)注意，圖1所示的電源網(wǎng)是一種可用于任何逆變器拓?fù)涞奶撛O(shè)電路，外加一個(gè)市電變壓器和一個(gè)輸出濾波器，變壓器可阻止直流分量進(jìn)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(yáng)能逆變器銷(xiāo)售所在國(guó)家的法律背景。允許不采用變壓器的國(guó)家的目的是提高系統(tǒng)效率，因?yàn)樽儔浩鲗?dǎo)致效率下降1~2個(gè)百分點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)了。表1給出了每一級(jí)對(duì)系統(tǒng)損耗、系統(tǒng)尺寸和系統(tǒng)成本的貢獻(xiàn)值。
但是，也有一些系統(tǒng)是不用變壓器的，這取決于太陽(yáng)能逆變器銷(xiāo)售所在國(guó)家的法律背景。允許不采用變壓器的國(guó)家的目的是提高系統(tǒng)效率，因?yàn)樽儔浩鲗?dǎo)致效率下降1~2個(gè)百分點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)了。表1給出了每一級(jí)對(duì)系統(tǒng)損耗、系統(tǒng)尺寸和系統(tǒng)成本的貢獻(xiàn)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(xiàn)者。然而，變壓器在許多國(guó)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(jí)產(chǎn)生的電流紋波，該濾波器的大小和成本與逆變器開(kāi)關(guān)頻率成反比。開(kāi)關(guān)頻率越高，濾波器的尺寸越小、價(jià)格越便宜。但是，這種關(guān)系與硬轉(zhuǎn)換狀態(tài)下開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗之間的關(guān)系形成了折衷——開(kāi)關(guān)頻率越高，損耗越大，因此效率就越低。從16kHz~20kHz的開(kāi)關(guān)頻率，由于具備較低音頻噪聲和較高效率，可以滿足太陽(yáng)能逆變器的要求。因此，功率電路還有待于進(jìn)一步研究。
下文將比較適用于這兩級(jí)的幾種半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。[page]
1.用于DC/AC升壓變換器的功率半導(dǎo)體
DC/DC變換器是在100kHz或以上的開(kāi)關(guān)頻率下?tīng)顟B(tài)下運(yùn)行的。變換器以連續(xù)模式運(yùn)行，這意味著，升壓電感器內(nèi)的電流在額定條件下會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波形。當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，二極管作為續(xù)流二極管使用時(shí)，晶體管可為電感器充電。這就是說(shuō)，當(dāng)晶體管再次打開(kāi)時(shí)，二極管可以主動(dòng)關(guān)閉。下圖給出了常用硅二極管的典型反向恢復(fù)特性(圖2中的黑色和紅色曲線)。
下文將比較適用于這兩級(jí)的幾種半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。[page]
1.用于DC/AC升壓變換器的功率半導(dǎo)體
DC/DC變換器是在100kHz或以上的開(kāi)關(guān)頻率下?tīng)顟B(tài)下運(yùn)行的。變換器以連續(xù)模式運(yùn)行，這意味著，升壓電感器內(nèi)的電流在額定條件下會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波形。當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，二極管作為續(xù)流二極管使用時(shí)，晶體管可為電感器充電。這就是說(shuō)，當(dāng)晶體管再次打開(kāi)時(shí)，二極管可以主動(dòng)關(guān)閉。下圖給出了常用硅二極管的典型反向恢復(fù)特性(圖2中的黑色和紅色曲線)。
硅二極管的反向恢復(fù)特性，在升壓晶體管和相應(yīng)的二極管中都會(huì)產(chǎn)生較高的損耗。而碳化硅二極管就沒(méi)有這一問(wèn)題(如圖2中藍(lán)色曲線所示)。只是由于電容性產(chǎn)生一個(gè)二極管瞬間負(fù)電流，這是由二極管的結(jié)電容電荷引起的。碳化硅二極管可大大減少晶體管的開(kāi)通損耗和二極管的關(guān)斷損耗，還可減少電磁干擾，因?yàn)椴ㄐ畏浅Ｆ交?，沒(méi)有振蕩。
以往曾經(jīng)報(bào)道過(guò)很多避免由二極管的反向恢復(fù)特性造成損耗的工藝，例如零電壓開(kāi)關(guān)的零電流開(kāi)關(guān)等。所有這些都會(huì)大大增加元件數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜程度，結(jié)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下通過(guò)使用碳化硅肖特基二極管，也可以用最少的元件實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)相同的效率。
高開(kāi)關(guān)頻率同樣要求高性能的升壓晶體管。超級(jí)結(jié)晶體管(如 CoolMOS)的引進(jìn)，為進(jìn)一步降低MOSFET 的單位面積導(dǎo)通電阻RDS(on) 帶來(lái)了希望，如圖3所示。
以往曾經(jīng)報(bào)道過(guò)很多避免由二極管的反向恢復(fù)特性造成損耗的工藝，例如零電壓開(kāi)關(guān)的零電流開(kāi)關(guān)等。所有這些都會(huì)大大增加元件數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜程度，結(jié)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下通過(guò)使用碳化硅肖特基二極管，也可以用最少的元件實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)相同的效率。
高開(kāi)關(guān)頻率同樣要求高性能的升壓晶體管。超級(jí)結(jié)晶體管(如 CoolMOS)的引進(jìn)，為進(jìn)一步降低MOSFET 的單位面積導(dǎo)通電阻RDS(on) 帶來(lái)了希望，如圖3所示。
很容易可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)封裝中，CoolMOS可實(shí)現(xiàn)最低絕對(duì)導(dǎo)通電阻值。這將帶來(lái)最低導(dǎo)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(dāng)電壓為600V時(shí)，CoolMOS的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，如果電壓更高，其優(yōu)勢(shì)就會(huì)加大。目前，最高的電壓級(jí)為800V。
經(jīng)多次研究表明：使用碳化硅二極管和超級(jí)結(jié)MOSFET如CoolMOS,優(yōu)于采用標(biāo)準(zhǔn)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(jí)結(jié)MOSFET如CoolMOS,優(yōu)于采用標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體
輸出逆變器連接直流母線和電網(wǎng)。通常，開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)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(gè)橫截面。
輸出逆變器連接直流母線和電網(wǎng)。通常，開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)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(gè)橫截面。
兩種工藝都采用了晶圓減薄工藝，旨在降低導(dǎo)通損耗以及由襯底厚度太大造成的開(kāi)關(guān)損耗。標(biāo)準(zhǔn)工藝和 TrenchStop工藝是非外延 IGBT工藝，沒(méi)有采用晶體管生長(zhǎng)工藝,因?yàn)榇祟?lèi)工藝流程的成本很高，因?yàn)樽钄嚯妷菏歉鶕?jù)增長(zhǎng)晶體的厚度來(lái)決定的。
在斷開(kāi)狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)NPT 單元在半導(dǎo)體內(nèi)部形成了一個(gè)三角形的電場(chǎng)。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(chǎng)在進(jìn)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(jiǎn)化了并聯(lián)使用。
TrenchStop 工藝是先進(jìn)的溝槽柵(trench gate)和場(chǎng)終止層(fieldstop)概念的結(jié)合，可以進(jìn)一步降低導(dǎo)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(chǎng)終止層只執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)：以極低的斷態(tài)電壓值抑制電場(chǎng)。這為設(shè)計(jì)出電場(chǎng)在n襯底層中幾乎是水平分布的創(chuàng)造了條件。這說(shuō)明，材料的電阻非常低，因而在導(dǎo)通過(guò)程中，電壓降很低。電場(chǎng)終止層的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)進(jìn)一步降低芯片的厚度得以發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)上述所有優(yōu)越性。采用TrenchStop工藝也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。
表2給出了阻斷電壓為600V和1200V的IGBT的比較。對(duì)于這三種工藝來(lái)說(shuō)，所使用的晶體管的額定功率都保持恒定。這就是說(shuō)，電壓為600V時(shí)器件的電流，是電壓為1200V時(shí)器件的兩倍。也就是說(shuō)，一個(gè)50A/600V的器件相當(dāng)于兩個(gè)25A/1200V的器件。
在斷開(kāi)狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)NPT 單元在半導(dǎo)體內(nèi)部形成了一個(gè)三角形的電場(chǎng)。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(chǎng)在進(jìn)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(jiǎn)化了并聯(lián)使用。
TrenchStop 工藝是先進(jìn)的溝槽柵(trench gate)和場(chǎng)終止層(fieldstop)概念的結(jié)合，可以進(jìn)一步降低導(dǎo)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(chǎng)終止層只執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)：以極低的斷態(tài)電壓值抑制電場(chǎng)。這為設(shè)計(jì)出電場(chǎng)在n襯底層中幾乎是水平分布的創(chuàng)造了條件。這說(shuō)明，材料的電阻非常低，因而在導(dǎo)通過(guò)程中，電壓降很低。電場(chǎng)終止層的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)進(jìn)一步降低芯片的厚度得以發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)上述所有優(yōu)越性。采用TrenchStop工藝也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。
表2給出了阻斷電壓為600V和1200V的IGBT的比較。對(duì)于這三種工藝來(lái)說(shuō)，所使用的晶體管的額定功率都保持恒定。這就是說(shuō)，電壓為600V時(shí)器件的電流，是電壓為1200V時(shí)器件的兩倍。也就是說(shuō)，一個(gè)50A/600V的器件相當(dāng)于兩個(gè)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(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗降低50%。因此， 對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(zhuān)為實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗而進(jìn)一步優(yōu)化。因此，F(xiàn)ast工藝或 TrenchStop產(chǎn)品家族哪個(gè)更具有優(yōu)異性能, 取決于開(kāi)關(guān)頻率。
IGBT通常還需要一個(gè)續(xù)流二極管，以使其能夠續(xù)流，這是EmCon工藝的一個(gè)特殊優(yōu)化版本。它是根據(jù)600V系列器件的15kHz開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行優(yōu)化的。過(guò)去認(rèn)為，續(xù)流二極管必須具備非常低的導(dǎo)通電壓以實(shí)現(xiàn)最低總損耗。根據(jù)應(yīng)用要求可進(jìn)行其它優(yōu)化，以使二極管和IGBT中的總損耗更低。這說(shuō)明，在頻率約為16kHz的IGBT和二極管的應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗，更高的正向電壓降更為合適。
這一點(diǎn)在圖6(600V系列)中得以說(shuō)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(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗而進(jìn)行優(yōu)化后的二極管(稱(chēng)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(jié)合使用。條形圖中黃色和橙色的部分分別代表IGBT的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。深藍(lán)色和淺藍(lán)色部分分別是二極管的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
IGBT通常還需要一個(gè)續(xù)流二極管，以使其能夠續(xù)流，這是EmCon工藝的一個(gè)特殊優(yōu)化版本。它是根據(jù)600V系列器件的15kHz開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行優(yōu)化的。過(guò)去認(rèn)為，續(xù)流二極管必須具備非常低的導(dǎo)通電壓以實(shí)現(xiàn)最低總損耗。根據(jù)應(yīng)用要求可進(jìn)行其它優(yōu)化，以使二極管和IGBT中的總損耗更低。這說(shuō)明，在頻率約為16kHz的IGBT和二極管的應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗，更高的正向電壓降更為合適。
這一點(diǎn)在圖6(600V系列)中得以說(shuō)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(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗而進(jìn)行優(yōu)化后的二極管(稱(chēng)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(jié)合使用。條形圖中黃色和橙色的部分分別代表IGBT的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。深藍(lán)色和淺藍(lán)色部分分別是二極管的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
很容易看出，在開(kāi)關(guān)頻率為16kHz，負(fù)荷角的余弦值為 0.7和額定電流的情況下，Emcon3二極管在導(dǎo)通過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更高損耗(深藍(lán)色)，但能得到更好的開(kāi)關(guān)性能。因此，就這一點(diǎn)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(kāi)通過(guò)程中的開(kāi)關(guān)損耗。上述第2部分的考慮事項(xiàng)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(gè)優(yōu)勢(shì)。請(qǐng)注意，當(dāng)負(fù)荷角接近1的時(shí)候，開(kāi)關(guān)損耗將成為主要的損耗，因?yàn)槎O管只在輸出逆變器死區(qū)期間導(dǎo)通。
結(jié)論
功率半導(dǎo)體器件需要具備不同的特性，才能在太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用中達(dá)到最高效率。新工藝的出現(xiàn)，如碳化硅半導(dǎo)體二極管或TrenchStop IGBT等， 正在幫助人們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不僅要對(duì)單個(gè)器件進(jìn)行優(yōu)化， 而且還要對(duì)這些器件組合在一起發(fā)生作用的方式進(jìn)行優(yōu)化。 這將實(shí)現(xiàn)最小損耗和最高效率，而這正是太陽(yáng)能逆變器最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)。
結(jié)論
功率半導(dǎo)體器件需要具備不同的特性，才能在太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用中達(dá)到最高效率。新工藝的出現(xiàn)，如碳化硅半導(dǎo)體二極管或TrenchStop IGBT等， 正在幫助人們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不僅要對(duì)單個(gè)器件進(jìn)行優(yōu)化， 而且還要對(duì)這些器件組合在一起發(fā)生作用的方式進(jìn)行優(yōu)化。 這將實(shí)現(xiàn)最小損耗和最高效率，而這正是太陽(yáng)能逆變器最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)。
