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用于高效电源转换器的全新电路拓扑

Created by Ralf Hauschild博士; Wolfgang Sayer |   Asia Knowledge

对于具有高能量密度的高成本效益电力电子系统的开发工作而言,其关键就是能源效率。一个行之有效的经验法则是:只要能够以更高的开关频率进行操作,如果减少功率损耗,成本也会下降,因为冷却负载较少并且可以使用更紧凑的无源元件。有鉴于此,开发人员可以利用某些技术显着降低功率转换器的开关损耗,从而降低成本。

逆变器是每个光伏系统的重要组成部分,其工作是将直流电压转换成交流电压。功率晶体管的开关损耗对其效率影响很大。

必须使用正确的电路拓扑和正确的组件选择,才可以实现理想的效率。为了提高效率,逆变器正在增加使用宽带隙材料制成的晶体管,例如GaN或SiC。问题在于:这些技术比使用硅基组件昂贵得多。

因此,具有成本效益的系统需要进行电路设计创新,在使用硅基组件的同时实现最大程度的效率。

优化效率:半桥示例

半桥示例说明了如何通过显着降低开关损耗来优化逆变器的效率,它包括检查从阻断高边开关晶体管的续流二极管到低边开关晶体管(图1)的电流换向。

除了电阻损耗以外,开关损耗由两种损耗机制决定:首先是存储在续流二极管中的反向恢复电荷(Qrr),它导致激活的低边开关晶体管导通出现电流峰值;其次是对阻塞高边开关晶体管的输出电容(COSS)进行再充电时所流动的充电电流峰值。

同步反向阻断(SRB)串联第二开关晶体管Q2以阻断开关晶体管Q1的续流二极管中的反向电流。Q2的激活与Q1同步。反向电流通过并联的碳化硅(SiC)肖特基二极管, 该二极管具有高击穿电压和极低的反向恢复电荷,这大大降低了Qrr对开关损耗的影响。Q2的续流二极管的极性确保晶体管不能产生高电压,因此,低介电强度(60 V)的型款就足够了。

使用高级SRB (A-SRB),通过采用较低的电压去Q1进行预充电,大幅降低Q1的输出电容的充电所造成的损失。输出电容COSS强烈依赖于漏源电压VDS。当VDS从0V增加到大约40V时,电容减少了例如大约100倍。

在导通期间,该电压依赖性导致损耗诱导的充电电流的主要部分流过Q1的低VDS。然而,Q1两端的低电压意味着半桥导通的低端晶体管有着高电压导通。由于充电电流峰值,导致晶体管的导通损耗很高。

如果Q1的COSS被预充电到40V,例如,在半桥的低侧开关晶体管导通之前,那么大部分充电电流不流过该晶体管导通,因此不会带来导通亏损。预充电由IC栅极驱动器中的电荷泵所产生的附加电压源执行。

图2示出了用于减少半桥开关损耗的技术。实际的开关晶体管(Q1)是一个具有最大反向电压(例如650V)的高压超级结DTMOS IV。与Q1串联连接的Q2辅助晶体管是一个低压超级结UMOS VIII,其反向电压为60 V。其中所使用的续流二极管是具有极低反向恢复电荷的SiC肖特基二极管。

这个特殊的电路拓扑由一个专用的IC T1HZ1F驱动器来激活。该IC使用PWM输入信号来产生晶体管栅极和充电脉冲所需的全部控制信号,以对Q1的输出电容进行预充电。

东芝开发的A-SRB技术显着降低了开关损耗,适用于光伏逆变器、DC / DC转换器、功率因数校正(PFC)和驱动控制等一系列应用,图3显示了减少半桥开关损耗的技术。为了演示A-SRB技术的有效性,分别使用和不使用A-SRB进行逆变桥(H4拓扑)的SPICE仿真。

图4显示了借助A-SRB实现双极性调制的各种输出功率和开关频率的效率提升,使用具有低RDS(on) (100 A, 600 V)的东芝DTMOS IV作为开关晶体管。对于高开关频率,效率增益最为明显,因为A-SRB降低了开关损耗,这个例子中的最大效率增益约为6%。

该系统的主要部分是具有A-SRB功能的逆变桥,它可根据额定功率用于各种实施方案。对于最大输入功率大约为300 W的模块逆变器,东芝提供了T1JM4模块解决方案。该模块集成了一个完整的半桥,包括具有A-SRB功能的栅极驱动器、开关晶体管和SiC肖特基二极管。市场上提供与开关元件相结合的分立栅极驱动器套件,可用于具有高达大约5kW的更高输入功率的光伏逆变器。

结论

要优化电力电子系统的成本,便要有效解决相关的损耗。基于成熟硅技术的智能功率损耗管理功能可以实现具有更高功率密度和能源效率的高成本效益系统。

东芝的A-SRB技术确保了显着的效率提升。除了光伏逆变器之外,它也适用于电力电子行业中的各种其它应用,例如 用于DC / DC转换器、无功功率补偿和电机驱动。