【導(dǎo)讀】對(duì)于具有高能量密度的高成本效益電力電子系統(tǒng)的開發(fā)工作而言，其關(guān)鍵就是能源效率。一個(gè)行之有效的經(jīng)驗(yàn)法則是：只要能夠以更高的開關(guān)頻率進(jìn)行操作，如果減少功率損耗，成本也會(huì)下降，因?yàn)槔鋮s負(fù)載較少并且可以使用更緊湊的無源元件。有鑒于此，開發(fā)人員可以利用某些技術(shù)顯著降低功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗，從而降低成本。
逆變器是每個(gè)光伏系統(tǒng)的重要組成部分，其工作是將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓。功率晶體管的開關(guān)損耗對(duì)其效率影響很大。
必須使用正確的電路拓?fù)浜驼_的組件選擇，才可以實(shí)現(xiàn)理想的效率。為了提高效率，逆變器正在增加使用寬帶隙材料制成的晶體管，例如GaN或SiC。問題在于：這些技術(shù)比使用硅基組件昂貴得多。
因此，具有成本效益的系統(tǒng)需要進(jìn)行電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新，在使用硅基組件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大程度的效率。
優(yōu)化效率：半橋示例
半橋示例說明了如何通過顯著降低開關(guān)損耗來優(yōu)化逆變器的效率，它包括檢查從阻斷高邊開關(guān)晶體管的續(xù)流二極管到低邊開關(guān)晶體管(圖1)的電流換向。
除了電阻損耗以外，開關(guān)損耗由兩種損耗機(jī)制決定：首先是存儲(chǔ)在續(xù)流二極管中的反向恢復(fù)電荷(Qrr)，它導(dǎo)致激活的低邊開關(guān)晶體管導(dǎo)通出現(xiàn)電流峰值；其次是對(duì)阻塞高邊開關(guān)晶體管的輸出電容(COSS)進(jìn)行再充電時(shí)所流動(dòng)的充電電流峰值。
同步反向阻斷(SRB)串聯(lián)第二開關(guān)晶體管Q2以阻斷開關(guān)晶體管Q1的續(xù)流二極管中的反向電流。Q2的激活與Q1同步。反向電流通過并聯(lián)的碳化硅(SiC)肖特基二極管，該二極管具有高擊穿電壓和極低的反向恢復(fù)電荷，這大大降低了Qrr對(duì)開關(guān)損耗的影響。Q2的續(xù)流二極管的極性確保晶體管不能產(chǎn)生高電壓，因此，低介電強(qiáng)度(60 V)的型款就足夠了。
圖1：開關(guān)半橋時(shí)的電流換向和損耗機(jī)制
來源：東芝
使用高級(jí)SRB (A-SRB)，通過采用較低的電壓去Q1進(jìn)行預(yù)充電，大幅降低Q1的輸出電容的充電所造成的損失。輸出電容COSS強(qiáng)烈依賴于漏源電壓VDS。當(dāng)VDS從0V增加到大約40V時(shí)，電容減少了例如大約100倍。
在導(dǎo)通期間，該電壓依賴性導(dǎo)致?lián)p耗誘導(dǎo)的充電電流的主要部分流過Q1的低VDS。然而，Q1兩端的低電壓意味著半橋?qū)ǖ牡投司w管有著高電壓導(dǎo)通。由于充電電流峰值，導(dǎo)致晶體管的導(dǎo)通損耗很高。
如果Q1的COSS被預(yù)充電到40V，例如，在半橋的低側(cè)開關(guān)晶體管導(dǎo)通之前，那么大部分充電電流不流過該晶體管導(dǎo)通，因此不會(huì)帶來導(dǎo)通虧損。預(yù)充電由IC柵極驅(qū)動(dòng)器中的電荷泵所產(chǎn)生的附加電壓源執(zhí)行。
圖2示出了用于減少半橋開關(guān)損耗的技術(shù)。實(shí)際的開關(guān)晶體管(Q1)是一個(gè)具有最大反向電壓(例如650V)的高壓超級(jí)結(jié)DTMOS IV。與Q1串聯(lián)連接的Q2輔助晶體管是一個(gè)低壓超級(jí)結(jié)UMOS VIII，其反向電壓為60 V。其中所使用的續(xù)流二極管是具有極低反向恢復(fù)電荷的SiC肖特基二極管。
這個(gè)特殊的電路拓?fù)溆梢粋€(gè)專用的IC T1HZ1F驅(qū)動(dòng)器來激活。該IC使用PWM輸入信號(hào)來產(chǎn)生晶體管柵極和充電脈沖所需的全部控制信號(hào)，以對(duì)Q1的輸出電容進(jìn)行預(yù)充電。
圖2：A-SRB電路拓?fù)涞慕M件
來源：東芝
圖3：減少半橋開關(guān)損耗的技術(shù)
來源：東芝
東芝開發(fā)的A-SRB技術(shù)顯著降低了開關(guān)損耗，適用于光伏逆變器、DC / DC轉(zhuǎn)換器、功率因數(shù)校正(PFC)和驅(qū)動(dòng)控制等一系列應(yīng)用，圖3顯示了減少半橋開關(guān)損耗的技術(shù)。為了演示A-SRB技術(shù)的有效性，分別使用和不使用A-SRB進(jìn)行逆變橋(H4拓?fù)?的SPICE仿真。
圖4顯示了借助A-SRB實(shí)現(xiàn)雙極性調(diào)制的各種輸出功率和開關(guān)頻率的效率提升，使用具有低RDS(on) (100 A, 600 V)的東芝DTMOS IV作為開關(guān)晶體管。對(duì)于高開關(guān)頻率，效率增益最為明顯，因?yàn)锳-SRB降低了開關(guān)損耗，這個(gè)例子中的最大效率增益約為6%。
圖4：使用A-SRB來提高效率
來源：東芝
該系統(tǒng)的主要部分是具有A-SRB功能的逆變橋，它可根據(jù)額定功率用于各種實(shí)施方案。對(duì)于最大輸入功率大約為300 W的模塊逆變器，東芝提供了T1JM4模塊解決方案。該模塊集成了一個(gè)完整的半橋，包括具有A-SRB功能的柵極驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)晶體管和SiC肖特基二極管。市場上提供與開關(guān)元件相結(jié)合的分立柵極驅(qū)動(dòng)器套件，可用于具有高達(dá)大約5kW的更高輸入功率的光伏逆變器。
結(jié)論
要優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的成本，便要有效解決相關(guān)的損耗。基于成熟硅技術(shù)的智能功率損耗管理功能可以實(shí)現(xiàn)具有更高功率密度和能源效率的高成本效益系統(tǒng)。
東芝的A-SRB技術(shù)確保了顯著的效率提升。除了光伏逆變器之外，它也適用于電力電子行業(yè)中的各種其它應(yīng)用，例如用于DC / DC轉(zhuǎn)換器、無功功率補(bǔ)償和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
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