隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對電力電子變流器的要求也越來越高。高效率、高可靠性和高功率密度越來越受到設(shè)計(jì)人員的重視，并可能成為當(dāng)前和下一代變換器的標(biāo)準(zhǔn)。

碳化硅（SiC）材料因其固有的寬禁帶特性和高熱導(dǎo)率，可在1kV系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的效率和更好的熱性能。

本文將介紹當(dāng)前光伏（PV）系統(tǒng)的主流架構(gòu)以及系統(tǒng)不同部分常用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將介紹使用SiC MOSFET的解決方案，并與IGBT解決方案進(jìn)行比較，還將總結(jié)在光伏系統(tǒng)中使用新一代SiC MOSFET的優(yōu)勢。

太陽能系統(tǒng)的高效SiC MOSFET解決方案

1

太陽能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有不同的功率等級和應(yīng)用場景，因此總線電壓等級和結(jié)構(gòu)也各不相同。以工商業(yè)光伏系統(tǒng)為例，如圖1所示，該系統(tǒng)可分為三個(gè)部分：光伏側(cè)、電池側(cè)和逆變器側(cè)。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電路可有效地將太陽能耦合到直流母線。蓄電池側(cè)使用DC/DC電路使蓄電池電壓與總線電壓相匹配，并控制蓄電池的恒流或恒壓充電/放電。這部分電路可以是簡單的雙向降壓/升壓電路，也可以是帶升壓/降壓電路的隔離DCX電路，具體取決于電池的配置。

逆變器電路通常采用三電平結(jié)構(gòu)。但近年來，隨著高壓器件的日益普及，兩電平逆變器電路也成為研究重點(diǎn)。這種混合型光伏系統(tǒng)在商業(yè)和工業(yè)場景中越來越受歡迎，因?yàn)樗梢岳梅骞葍r(jià)差創(chuàng)造收益。在日照條件允許的情況下，還可以利用商業(yè)和工業(yè)場景中的閑置區(qū)域來增加綠色電力的比例。

圖1. 混合太陽能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，SiC MOS的應(yīng)用也具有不同的特點(diǎn)。它們大致可分為兩類：軟開關(guān)拓?fù)浜陀查_關(guān)拓?fù)?。硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在光伏系統(tǒng)中很常見，如圖2所示的MPPT側(cè)升壓電路、電池側(cè)降壓/升壓電路以及三電平逆變器電路。

由于SiC MOSFET 的開關(guān)損耗低，因此在硬開關(guān)電路中，尤其是在高開關(guān)頻率下，其性能比IGBT更好。

圖2. 升壓電路

不過，也有一個(gè)例外，那就是電池側(cè)的降壓/升壓電路，如圖3所示。這是一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，無論處于充電還是放電模式，其中一個(gè)MOSFET始終處于同步整流模式，即始終在零電壓時(shí)開啟。由于存在雙向功率流，兩個(gè)MOSFET在一種工作狀態(tài)下都會出現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）。但在另一種模式下會出現(xiàn)硬開關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)該電路時(shí)，我們需要考慮兩種工作條件下的最壞情況。

圖3. 雙向降壓/升壓電路

在軟開關(guān)電路中，如圖4（低壓電池組中DCX電路的高壓側(cè)），優(yōu)化設(shè)計(jì)可使MOSFET工作在零電壓開關(guān)(ZVS)狀態(tài)，幾乎沒有開關(guān)損耗，只有導(dǎo)通損耗。由于MOSFET工作在諧振頻率點(diǎn)，關(guān)斷電流也非常小，因此傳導(dǎo)損耗占總損耗的很大比例。然而，由于SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻隨溫度升高的速度高于IGBT的飽和壓降，而且在額定電流相近的情況下，SiC MOSFET的芯片尺寸通常小于IGBT，因此在這種工作條件下，SiC相對于IGBT的優(yōu)勢并不明顯，甚至可以說不存在。

圖4. 低壓電池的CLLC

3

用于太陽能系統(tǒng)的

英飛凌CoolSiC G2解決方案

該部分將為太陽能系統(tǒng)中不同額定功率的不同部分提供SiC解決方案。英飛凌的CoolSiC G2不僅改進(jìn)了芯片技術(shù)，還提高了封裝技術(shù)。目前最佳的優(yōu)點(diǎn)值（FOM）使CoolSiC G2能夠在輕負(fù)載和硬開關(guān)條件下實(shí)現(xiàn)最高效率。由于采用了擴(kuò)散焊接技術(shù)（.XT），與上一代產(chǎn)品相比，類似等級的G2 SiC器件的熱阻降低了15%以上。CoolSiC的Vgsth和Rdson分布較窄，更易于SiC并聯(lián)。此外，這一代SiC器件可在200°C的最高結(jié)溫下工作100小時(shí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性的提高，使我們能夠應(yīng)對過流或短路導(dǎo)致的過熱等極端情況，而無需升級器件額定值。這使得設(shè)計(jì)高效、可靠和低成本的光伏（PV）系統(tǒng)成為可能。

圖5. CoolSiC G2的產(chǎn)品組合

與 IGBT 解決方案的比較

本節(jié)將比較采用CoolSiC G2和IGBT H7的太陽能系統(tǒng)的性能，包括損耗、熱和系統(tǒng)優(yōu)勢。同時(shí)，還將介紹根據(jù)額定功率基準(zhǔn)IGBT對SiC的參考選擇。

結(jié)論

針對光伏（PV）系統(tǒng)各部分的不同電路特性，使用合適的1200V CoolSiC G2器件可實(shí)現(xiàn)高效、可靠的光伏系統(tǒng)解決方案。與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)解決方案相比，整體損耗更低，體積更小。此外，由于最高結(jié)溫為200°C，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以更加靈活，無需為實(shí)現(xiàn)過載熱性能而增加成本。