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用於高效電源轉換器的全新電路拓撲

發布時間：2018-04-23 責任編輯：lina

【導讀】對於具有高能量密度的高成本效益電力電子係統的開發工作而言，其關鍵就是能源效率。一個行之有效的經驗法則是：隻要能夠以更高的開關pinlvjinxingcaozuo，ruguojianshaogonglvsunhao，chengbenyehuixiajiang，yinweilengquefuzaijiaoshaobingqiekeyishiyonggengjincoudewuyuanyuanjian。youjianyuci，kaifarenyuankeyiliyongmouxiejishuxianzhejiangdigonglvzhuanhuanqidekaiguansunhao，congerjiangdichengben。

逆變器是每個光伏係統的重要組成部分，其工作是將直流電壓轉換成交流電壓。功率晶體管的開關損耗對其效率影響很大。

bixushiyongzhengquededianlutuopuhezhengquedezujianxuanze，caikeyishixianlixiangdexiaolv。weiletigaoxiaolv，nibianqizhengzaizengjiashiyongkuandaixicailiaozhichengdejingtiguan，liruGaN或SiC。問題在於：這些技術比使用矽基組件昂貴得多。

因此，具有成本效益的係統需要進行電路設計創新，在使用矽基組件的同時實現最大程度的效率。

優化效率：半橋示例

半橋示例說明了如何通過顯著降低開關損耗來優化逆變器的效率，它包括檢查從阻斷高邊開關晶體管的續流二極管到低邊開關晶體管(圖1)的電流換向。

除了電阻損耗以外，開關損耗由兩種損耗機製決定：首先是存儲在續流二極管中的反向恢複電荷(Qrr)，它導致激活的低邊開關晶體管導通出現電流峰值；其次是對阻塞高邊開關晶體管的輸出電容(COSS)進行再充電時所流動的充電電流峰值。

同步反向阻斷(SRB)串聯第二開關晶體管Q2以阻斷開關晶體管Q1的續流二極管中的反向電流。Q2的激活與Q1同步。反向電流通過並聯的碳化矽(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複電荷，這大大降低了Qrr對開關損耗的影響。Q2的續流二極管的極性確保晶體管不能產生高電壓，因此，低介電強度(60 V)的型款就足夠了。

圖1：開關半橋時的電流換向和損耗機製

來源：東芝

使用高級SRB (A-SRB)，通過采用較低的電壓去Q1進行預充電，大幅降低Q1的輸出電容的充電所造成的損失。輸出電容COSS強烈依賴於漏源電壓VDS。當VDS從0V增加到大約40V時，電容減少了例如大約100倍。

在導通期間，該電壓依賴性導致損耗誘導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導通的低端晶體管有著高電壓導通。由於充電電流峰值，導致晶體管的導通損耗很高。

如果Q1的COSS被預充電到40V，例如，在半橋的低側開關晶體管導通之前，那麼大部分充電電流不流過該晶體管導通，因此不會帶來導通虧損。預充電由IC柵極驅動器中的電荷泵所產生的附加電壓源執行。

圖2示出了用於減少半橋開關損耗的技術。實際的開關晶體管(Q1)是一個具有最大反向電壓(例如650V)的高壓超級結DTMOS IV。與Q1串聯連接的Q2輔助晶體管是一個低壓超級結UMOS VIII，其反向電壓為60 V。其中所使用的續流二極管是具有極低反向恢複電荷的SiC肖特基二極管。

這個特殊的電路拓撲由一個專用的IC T1HZ1F驅動器來激活。該IC使用PWM輸入信號來產生晶體管柵極和充電脈衝所需的全部控製信號，以對Q1的輸出電容進行預充電。

圖2：A-SRB電路拓撲的組件

來源：東芝

圖3：減少半橋開關損耗的技術

來源：東芝

東芝開發的A-SRB技術顯著降低了開關損耗，適用於光伏逆變器、DC / DC轉換器、功率因數校正(PFC)和驅動控製等一係列應用，圖3顯示了減少半橋開關損耗的技術。為了演示A-SRB技術的有效性，分別使用和不使用A-SRB進行逆變橋(H4拓撲)的SPICE仿真。

圖4顯示了借助A-SRB實現雙極性調製的各種輸出功率和開關頻率的效率提升，使用具有低RDS(on) (100 A, 600 V)的東芝DTMOS IV作為開關晶體管。對於高開關頻率，效率增益最為明顯，因為A-SRB降低了開關損耗，這個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

該係統的主要部分是具有A-SRB功能的逆變橋，它可根據額定功率用於各種實施方案。對於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。該模塊集成了一個完整的半橋，包括具有A-SRB功能的柵極驅動器、開關晶體管和SiC肖特基二極管。市場上提供與開關元件相結合的分立柵極驅動器套件，可用於具有高達大約5kW的更高輸入功率的光伏逆變器。

結論

yaoyouhuadianlidianzixitongdechengben，bianyaoyouxiaojiejuexiangguandesunhao。jiyuchengshuguijishudezhinenggonglvsunhaoguanligongnengkeyishixianjuyougenggaogonglvmiduhenengyuanxiaolvdegaochengbenxiaoyixitong。

東芝的A-SRB技術確保了顯著的效率提升。除了光伏逆變器之外，它也適用於電力電子行業中的各種其它應用，例如用於DC / DC轉換器、無功功率補償和電機驅動。

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