是什么使SiC成為組串式逆變器的完美解決方案

作者簡介

作者：sureshthangavel

翻譯：趙佳

與硅技術(shù)相比，SiC MOSFET在光伏和儲能應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢，它解決了能效與成本的迫切需求，特別是在需要雙向功率轉(zhuǎn)換的時(shí)候。

易于安裝是大功率光伏組串式逆變器的關(guān)鍵特征之一。如果只需要兩個(gè)工人來搬運(yùn)和安裝該系統(tǒng)，將會非常利于運(yùn)維。因此，尺寸和重量非常重要。最新一代的碳化硅半導(dǎo)體使電力轉(zhuǎn)換效率大幅提高。這不僅節(jié)省了能源，而且使設(shè)備更小、更輕，相關(guān)的資本、安裝和維護(hù)成本更低。

關(guān)鍵的應(yīng)用要求及其挑戰(zhàn)。

在光伏和儲能系統(tǒng)中，1500V的高系統(tǒng)電壓要求宇宙輻射引起的故障率非常低，同時(shí)要求功率器件具有更高的系統(tǒng)效率。由于這些矛盾的要求，ANPC多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是目前首選的解決方案，因?yàn)槠湓谡麄€(gè)功率因數(shù)運(yùn)行范圍內(nèi)的效率最高（圖1）。這樣的逆變器完美適用于太陽能和電池存儲應(yīng)用。

圖1：1500V光伏逆變器的兩種最常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

適應(yīng)ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種具有成本效益的方法是將英飛凌的1200V CoolSiC MOSFET與TRENCHSTOP IGBT7技術(shù)優(yōu)化組合。圖2顯示了參考方案中的一個(gè)橋臂，其中T1、T4、T5和T6由硅基IGBT和相應(yīng)的硅續(xù)流二極管（FWD）組成。晶體管M2和M3由帶有體二極管的CoolSiC MOSFET組成。通過使用圖2中的調(diào)制方案[1]和[2]，IGBT在工頻50/60Hz的情況下開關(guān)。因此，IGBT被優(yōu)化為具有較低的導(dǎo)通損耗。這樣，開關(guān)損耗只發(fā)生在快速和高效的SiC MOSFET上。因此，SiC器件的數(shù)量減少到最低限度，實(shí)現(xiàn)了最佳的成本-性能比。

圖2：Easy 3B功率模塊中的ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其調(diào)制方案

與IGBT逆變器方案相比，尺寸相當(dāng)?shù)腟iC MOSFET模塊也可以處理更多的功率。例如，一個(gè)工作頻率為16kHz的英飛凌950V EasyPACK 3B IGBT模塊可以被兩個(gè)較小的EasyPACK 2B尺寸1200V CoolSiC模塊取代，工作頻率為32 kHz。隨著功率處理能力增加32%，達(dá)到139千伏安，這個(gè)解決方案的功率轉(zhuǎn)換損失幾乎降低了5%。這進(jìn)一步將逆變器的效率提高了0.3%——這是一場真正的"值得信賴的革命！"

圖3：在16kHz下開關(guān)的950V EasyPACK 3B IGBT解決方案與在32kHz下開關(guān)的EasyPACK 2B CoolSiC MOSFET解決方案的比較

參考設(shè)計(jì)證明了其優(yōu)點(diǎn)。

為了證明在光伏組串和儲能逆變器中使用SiC MOSFET的顯著優(yōu)勢，英飛凌已經(jīng)為額定功率高達(dá)300kW的1500 VDC系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)模塊化參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用了新穎的雙向3電平ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在兩個(gè)方向上的效率接近99%，開關(guān)頻率高達(dá)96kHz（交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)）。對于包括散熱器和所有控制在內(nèi)的完整解決方案來說，功率密度大于5千瓦/公斤，在理想的80公斤最大機(jī)柜重量中，可輸出300千瓦功率。

通過使用SiC可以很容易地從整體效率的提高中計(jì)算出能源使用和成本節(jié)約；例如，與超級結(jié)Si MOSFET解決方案相比，1200V CoolSiC MOSFET可以將ESS安裝中的損耗減半，并提供通常2%的額外能量和運(yùn)行時(shí)間。對于類似的性能，SiC MOSFET的單位成本通常高于IGBT。但在系統(tǒng)層面上，硬件成本會大大降低，因?yàn)楦叩拈_關(guān)頻率允許使用更小、更便宜的磁性元件和散熱器。例如，在1500V的光伏組串逆變器中，每千瓦的成本可望至少節(jié)省5-10%（圖4）。

圖4：與IGBT相比，使用SiC MOSFET的組串逆變器的系統(tǒng)成本明顯降低