![太阳能逆变器的多组配置](http://www.21ic.com/d/file/201107/ae6439598bfb8fc9381aef5c8562a7bd.jpg)
逆变器必需避免直流分量, 要求电流小于5mA。虽然这很难做到,但是为了获得更高的效率,我们还是成功地实现了。表1给出了每一级对系统损耗、系统尺寸和系统成本的贡献值。
![每一级对系统损耗、系统尺寸和系统成本的贡献值](http://www.21ic.com/d/file/201107/8d2a1f080161d2a8ff4093a242a9627f.jpg)
![常用硅二极管的典型反向恢复特性](http://www.21ic.com/d/file/201107/d25add062f286c08858afa61b93903b0.jpg)
![CoolMOS工艺和共用MOSFET工艺的单位面积RDS(on)比较](http://www.21ic.com/d/file/201107/9d345aa140ccd4548dd2497d78e213d3.jpg)
经多次研究表明:使用碳化硅二极管和超级结MOSFET如CoolMOS,优于采用标准的MOSFET和二极管工艺(如图4所示)解决方案。
![升压晶体管和升压二极管特定组合的效率](http://www.21ic.com/d/file/201107/da45e23e70ed6f313b7a8c3658ccf7de.jpg)
用于逆变器的功率半导体
输出逆变器连接直流母线和电网。通常,开关频率没有DC/DC变换器的高。输出变换器必须处理由所有组变换器产生的电流总和。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是在这一逆变器使用的理想器件。图5给出了IGBT工艺的两个横截面。
![IGBT工艺的两个横截面](http://www.21ic.com/d/file/201107/1ea100edbb68814e8cad0f0719f353b4.jpg)
两种工艺都采用了晶圆减薄工艺,旨在降低导通损耗以及由衬底厚度太大造成的开关损耗。标准工艺和 TrenchStop工艺是非外延 IGBT工艺,没有采用晶体管生长工艺,因为此类工艺流程的成本很高,因为阻断电压是根据增长晶体的厚度来决定的。
在断开状态下,标准NPT 单元在半导体内部形成了一个三角形的电场。所有阻断电压都被衬底的n区域吸收(取决于其厚度),以使电场在进入集电极区域之前降到0。600V芯片的厚度是120mm,1200V芯片的厚度是170mm。饱和电压为正温度系数,从而简化了并联使用。
TrenchStop 工艺是先进的沟槽栅(trench gate)和场终止层(fieldstop)概念的结合,可以进一步降低导通损耗。 Trench gate工艺提供更高的沟道宽度,从而减小了沟道电阻。ndoped 场终止层只执行一项任务:以极低的断态电压值抑制电场。这为设计出电场在n衬底层中几乎是水平分布的创造了条件。这说明,材料的电阻非常低,因而在导通过程中,电压降很低。电场终止层的优势,可通过进一步降低芯片的厚度得以发挥,从而实现上述所有优越性。采用TrenchStop工艺也可实现并联。
表2给出了阻断电压为600V和1200V的IGBT的比较。对于这三种工艺来说,所使用的晶体管的额定功率都保持恒定。这就是说,电压为600V时器件的电流,是电压为1200V时器件的两倍。也就是说,一个50A/600V的器件相当于两个25A/1200V的器件。
![点击看大图 阻断电压为600V和1200V的IGBT的比较](http://www.21ic.com/d/file/201107/2b2ac8ab91d980b2f113fb22aee7c62e.jpg)
00V TrenchStop工艺可以将开关和导通损耗降低50%。因此, 对于整个系统来说,尽可能地使用600V工艺的优异性能是很重要的。1200V TrenchStop工艺专为实现低导通损耗而进一步优化。因此,Fast工艺或 TrenchStop产品家族哪个更具有优异性能, 取决于开关频率。 IGBT通常还需要一个续流二极管,以使其能够续流,这是EmCon工艺的一个特殊优化版本。它是根据600V系列器件的15kHz开关频率进行优化的。过去认为,续流二极管必须具备非常低的导通电压以实现最低总损耗。根据应用要求可进行其它优化,以使二极管和IGBT中的总损耗更低。这说明,在频率约为16kHz的IGBT和二极管的应用中,为实现低开关损耗,更高的正向电压降更为合适。 这一点在图6(600V系列)中得以说明。左柱表示TrenchStop IGBT和EmCon3工艺中EmCon 二极管的损耗。右柱表示TrenchStop IGBT和为实现低传导损耗而进行优化后的二极管(称为Emcon2工艺)的损耗。右柱中的同一二极管与采用英飞凌的Fast工艺(600V)的IGBT 结合使用。条形图中黄色和橙色的部分分别代表IGBT的导通损耗和开关损耗。深蓝色和浅蓝色部分分别是二极管的导通损耗和开关损耗。
![左柱表示TrenchStop IGBT和EmCon3工艺中EmCon 二极管的损耗。右柱表示TrenchStop IGBT和为实现低传导损耗而进行优化后的二极管(称为Emcon2工艺)的损耗。](http://www.21ic.com/d/file/201107/5e8f09cf006abdf9e1f3c54757d472b7.jpg)
很容易看出,在开关频率为16kHz,负荷角的余弦值为 0.7和额定电流的情况下,Emcon3二极管在导通过程中会产生更高损耗(深蓝色),但能得到更好的开关性能。因此,就这一点而言,二极管本身已经是很好的选择了。 此外,它还降低了IGBT在开通过程中的开关损耗。上述第2部分的考虑事项同样适用于此处。使用优化的EmCon二极管可使损耗降低1W左右,这是它的一个优势。请注意,当负荷角接近1的时候,开关损耗将成为主要的损耗,因为二极管只在输出逆变器死区期间导通。 结论 功率半导体器件需要具备不同的特性,才能在太阳能逆变器应用中达到最高效率。新工艺的出现,如碳化硅半导体二极管或TrenchStop IGBT等, 正在帮助人们实现这一目标。当然,要实现这一目标,不仅要对单个器件进行优化, 而且还要对这些器件组合在一起发生作用的方式进行优化。这将实现最小损耗和最高效率,而这正是太阳能逆变器最重要的两项指标。