- 最小損耗和最高效率是太陽能逆變器最重要的兩項指標
- 逆變器系統的智能化設計和使用最先進工藝的功率半導體是實現高效率的關鍵所在
簡介
太陽能光伏系統的應用領域越來越廣泛。尤其是移動系統，不用花一分錢，就從太陽能中受益。同時由于常規電能成本不斷攀升，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器相連，然后連接至共用直流母線。功率調節器能夠使太陽能電池以最大效率工作。太陽能逆變器可產生饋入市電的交流電壓。請注意，圖1所示的電源網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了。表1給出了每一級對系統損耗、系統尺寸和系統成本的貢獻值。
但是，也有一些系統是不用變壓器的，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了。表1給出了每一級對系統損耗、系統尺寸和系統成本的貢獻值。
很容易可以看出，變壓器是系統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。輸出濾波器可減弱由輸出逆變器級產生的電流紋波，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下運行的。變換器以連續模式運行，這意味著，升壓電感器內的電流在額定條件下會產生連續波形。當晶體管關閉時，二極管作為續流二極管使用時，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下運行的。變換器以連續模式運行，這意味著，升壓電感器內的電流在額定條件下會產生連續波形。當晶體管關閉時，二極管作為續流二極管使用時，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量和系統的復雜程度，結果經常使穩定性下降。特別值得提出的是，即使是在硬開關狀態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量和系統的復雜程度，結果經常使穩定性下降。特別值得提出的是，即使是在硬開關狀態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)表現出更好的線性度。當電壓為600V時，CoolMOS的優勢顯而易見，如果電壓更高，其優勢就會加大。目前，最高的電壓級為800V。
經多次研究表明：使用碳化硅二極管和超級結MOSFET如CoolMOS,優于采用標準的MOSFET和二極管工藝(如圖4所示)解決方案。
經多次研究表明：使用碳化硅二極管和超級結MOSFET如CoolMOS,優于采用標準的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。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。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增長晶體的厚度來決定的。
在斷開狀態下，標準NPT 單元在半導體內部形成了一個三角形的電場。所有阻斷電壓都被襯底的n區域吸收(取決于其厚度)，以使電場在進入集電極區域之前降到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，從而簡化了并聯使用。
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 場終止層只執行一項任務：以極低的斷態電壓值抑制電場。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。電場終止層的優勢，可通過進一步降低芯片的厚度得以發揮，從而實現上述所有優越性。采用TrenchStop工藝也可實現并聯。
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。
在斷開狀態下，標準NPT 單元在半導體內部形成了一個三角形的電場。所有阻斷電壓都被襯底的n區域吸收(取決于其厚度)，以使電場在進入集電極區域之前降到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，從而簡化了并聯使用。
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 場終止層只執行一項任務：以極低的斷態電壓值抑制電場。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。電場終止層的優勢，可通過進一步降低芯片的厚度得以發揮，從而實現上述所有優越性。采用TrenchStop工藝也可實現并聯。
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， 對于整個系統來說，盡可能地使用600V工藝的優異性能是很重要的。1200V TrenchStop工藝專為實現低導通損耗而進一步優化。因此，Fast工藝或 TrenchStop產品家族哪個更具有優異性能, 取決于開關頻率。
IGBT通常還需要一個續流二極管，以使其能夠續流，這是EmCon工藝的一個特殊優化版本。它是根據600V系列器件的15kHz開關頻率進行優化的。過去認為，續流二極管必須具備非常低的導通電壓以實現最低總損耗。根據應用要求可進行其它優化，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和為實現低傳導損耗而進行優化后的二極管(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通常還需要一個續流二極管，以使其能夠續流，這是EmCon工藝的一個特殊優化版本。它是根據600V系列器件的15kHz開關頻率進行優化的。過去認為，續流二極管必須具備非常低的導通電壓以實現最低總損耗。根據應用要求可進行其它優化，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和為實現低傳導損耗而進行優化后的二極管(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。 使用優化的EmCon二極管可使損耗降低1W左右，這是它的一個優勢。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，如碳化硅半導體二極管或TrenchStop IGBT等， 正在幫助人們實現這一目標。當然，要實現這一目標，不僅要對單個器件進行優化， 而且還要對這些器件組合在一起發生作用的方式進行優化。 這將實現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，如碳化硅半導體二極管或TrenchStop IGBT等， 正在幫助人們實現這一目標。當然，要實現這一目標，不僅要對單個器件進行優化， 而且還要對這些器件組合在一起發生作用的方式進行優化。 這將實現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。
