高功率密度碳化硅MOSFET軟開關(guān)三相逆變器損耗分析

　　相比硅 IGBT，碳化硅 MOSFET 擁有更快的開關(guān)速度和更低的開關(guān)損耗。 碳化硅 MOSFET 應(yīng)用于高開關(guān)頻率場合時(shí)其開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的增加亦快速增長。 為進(jìn)一步提升碳化硅 MOSFET 逆變器的功率密度，探討了采用軟開關(guān)技術(shù)的碳化硅 MOSFET 逆變器。 比較了不同開關(guān)頻率下的零電壓開關(guān)三相逆變器及硬開關(guān)三相逆變器的損耗分布和關(guān)鍵無源元件的體積， 討論了逆變器效率和關(guān)鍵無源元件體積與開關(guān)頻率之間的關(guān)系。 隨著開關(guān)頻率從數(shù)十 kHz 逐漸提升至數(shù)百 kHz，軟開關(guān)逆變器不僅能夠維持較高的轉(zhuǎn)換效率，還能取得更高的功率密度。 最后，在 １ 臺(tái) 9 kW 軟開關(guān)三相逆變器和 １ 臺(tái) 9 kW 硬開關(guān)逆變器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　三相逆變器在光伏發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等分布式發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 受制于器件的開關(guān)損耗， 這些發(fā)電裝置的開關(guān)頻率一般不超過 10 kHz。近年來，碳化硅 MOSFET 器件由于具有更快的開關(guān)速度和更低的開關(guān)損耗等特點(diǎn)而受到關(guān)注 。 2007 年，Cree 公司的 1 200 V 碳化硅 MOSFET 首先應(yīng)用于 1 臺(tái) 7 kW 的兩電平光伏逆變器，該逆變器開關(guān)頻率為 16.6 kHz，峰值效率達(dá)到 97.8% ［2鄄3］ 。 文獻(xiàn)［4鄄5］ 搭建了采用全碳化硅 MOSFET 和碳化硅二極管的 20 kW 三相 T 型三電平光伏逆變器，該逆變器開關(guān)頻率為 20 kHz，效率達(dá)到 99%；文獻(xiàn)［6］評估了采用 Cree 公司第 ２ 代 1 200 V/50 A 碳化硅 MOSFET 模塊的 10 kW 兩電平逆變器， 該逆變器在開關(guān)頻率 16 kHz 下峰值效率大于 99%， 而在 24 kHz 下峰值效率依然達(dá)到 98.7%。 然而，當(dāng)碳化硅逆變器工作于 開 關(guān) 頻 率 幾 十 kHz 甚 至 100 kHz 時(shí) ， 碳 化 硅MOSFET 器件的開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率的增加亦快速增長［7鄄9］ 。為進(jìn)一步提升碳化硅 MOSFET 三相逆變器性能，軟開關(guān)技術(shù)是值得探討的一種途徑。