中小功率光伏逆变器用功率模块的发展及应用

　　完善的驱动和保护功能，灵活的拓扑结构，紧凑的封装使pv-ipm能大大缩短客户的开发进度，提高光伏逆变器的可靠性。图4a)给出了使用50a/600v pv-ipm的光伏逆变器的满载运行时的输出波形。实验条件：并网电压为230 v/50 hz，直流侧电压udc=390v，并网电流thd=1.24%。

　　(a)并网电压、电流波形

　　(b)斩波电路igbt vce开关波形

　　3 旨在提高效率的igbt和mosfet混合模块

　　图5所示为一个单相光伏逆变器的典型全桥逆变电路，为尽可能地降低igbt的损耗，有时pwm控制策略使上桥臂igbt1/igbt3的开关频率设定为电网频率(例如50hz)，而下桥臂的igbt2/igbt4则工作在较高的开关频率下，来实现输出正弦波。这样的工作模式对全桥逆变中的4个igbt单元的性能要求是不尽相同的。因为上桥臂工作在工频开关频率，所以对igbt1/igbt3要求具有低的饱和压降vce(sat)，以降低系统的通态损耗，同时尽量降低二极管的反向恢复损耗，要求二极管具有快的恢复时间或者采用sic二极管;因为下桥臂的igbt单元工作在高频下，所以对igbt2/igbt4要求尽可能快的关断速度以降低开关损耗。

　　mosfet比igbt具有更高的开关频率，更适合于高频运行，所以下桥臂的igbt模块可以用mosfet来取代。 vincotech公司新推出的光伏逆变器专用模块flowsol-bi(p896-e01)就是根据上述理念开发的光伏逆变器用igbt+mosfet混合模块。其封装结构和内部电路框图如图6所示。该模块的boost电路是由mosfet(600v/45mω)和sic二极管组成。h桥电路上半桥由75a/600v igbt和sic二极管组成，下半桥由mosfet(600v/45mω)组成。模块还集成了温度检测电阻。根据实验结果，使用该混合型igbt+mosfet+sic二极管模块的光伏逆变器的效率，比使用纯igbt模块的逆变器，可以提高2个百分点[1]。

　　为进一步提高光伏逆变器的效率，vincotech公司又提出了将igbt和mosfet并联的模块解决方案，如图7所示。重载的时候，将开关损耗集中在mosfet上，导通损耗集中在igbt上;而轻载的时候，将开关和导通损耗都集中在mosfet上。这样的并联方案，发挥了mosfet和igbt各自的优点，使效率进一步提高。使用这种igbt和mosfet并联的模块方案如图8所示。

　　对于这种模块的驱动，可以采用多种方案，如采用两个独立的驱动器分别驱动igbt和mosfet，或者采用一个驱动器分出两路独立信号分别驱动igbt和mosfet，都是可行的解决方案。

　　4 光伏逆变器用三电平功率模块

　　在某些光伏应用中，直流侧电压会达到1000v，如果使用两电平电路，1200v耐压等级的功率模块是必需的。但是器件耐压等级升高，往往意味着损耗可能增大，光伏逆变器效率可能降低。三电平拓扑的引入，有效解决了这些问题。二极管箝位三电平的基本拓扑如图9a)所示，采用两主管串联与中点带箝位二极管的方案，使主管耐压可以降低一半，从而使低压功率器件可以应用于高压变换器中。与传统的两电平逆变器相比较，三电平逆变器还能减少谐波和降低系统损耗。

　　vincotech公司推出的基于标准三电平拓扑的模块型号是p926-l33。根据vincotech的测试结果，针对1000v直流侧电压的光伏逆变器，如果采用二极管箝位三电平结构拓扑，其光伏逆变器的效率高达99.2%，比普通的两电平拓扑效率高出3个百分点。

　　上面提到的igbt+mosfet混合及并联技术同样可以应用于三电平拓扑的功率模块中。图9b)p965f和图9c)p969f分别给出了混合和并联的三电平拓扑模块示例。由于引入的mosfet内部二极管不能承受大的无功电流，无功电流的流向成为一个问题。为解决这个问题，p965f和p969f在输出和直流母线间增加了1200v二极管，这样能输出无功功率，同时也可以用作高效率的双向逆变器，实现能量的反向变换，为了减少损耗，该二极管推荐使用sic二极管。同时，可见在该拓扑内管igbt的反并联二极管上串联了一个高压二极管，以防止mosfet关断时由于寄生电容而产生反向的充电电流流过igbt反并联二极管[2]。

　　图10给出了两种改进三电平拓扑的效率比较结果。图10中的实线是p965f的效率曲线，即外管采用mosfet的二极管箝位三电平拓扑;虚线是p969f的效率曲线，即采用mosfet +igbt并联技术的二极管箝位三电平拓扑。比较的条件为：输出能力为10w，开关频率是16khz。由图10可见，在3kw以上时，p969f的优势是显而易见的，在满载时，p969f 比p965f效率高出约0.7%[3]。

　　5 结束语

　　着眼于提高光伏逆变器的效率和可靠性，功率模块的发展方向在于更高的功能集成技术，更优的igbt+mosfet混合技术和更高效的拓扑结构。集成短路、欠压和过温保护的ipm使光伏逆变器的可靠性大大提高，失效率降低。igbt+mosfet混合解决方案和二极管箝位三电平拓扑方案，可以显著提高光伏逆变器的效率。