太阳能逆变器中功率电子器件的选择

　　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。

　　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。

从上表可以看出，与1200V的器件相比较，6
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。

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。