漲知識(shí)！IGBT?和?SiC?MOSFET?PIM?在太陽(yáng)能逆變器中的性能比較
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國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)顯示，到 2030 年，太陽(yáng)能光伏?(PV) 裝置的裝機(jī)容量有望達(dá)到 3,300 TWh，與 2019 年的水平相比，年增率為 15%[1]，這意味著能源供應(yīng)的比例在不斷上升。光伏裝置的安裝是將微型、迷你和電力公司規(guī)模的混合，但無(wú)論哪種情況都采用類似的 PV 技術(shù)，電池串聯(lián)可獲得較高的可用電壓，并聯(lián)可獲得更高的功率。一個(gè)趨勢(shì)是增加面板串的電壓，以獲得相應(yīng)的低電流的優(yōu)勢(shì)，在連接和布線中產(chǎn)生較少的功率損失。典型的標(biāo)稱面板安裝電壓約為 500 V 至 1000 V，但預(yù)計(jì)未來(lái) 1500 V 會(huì)更常見(jiàn)[2]。
為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性和容錯(cuò)性，每個(gè)板串通常都各自配備功率相對(duì)較低的逆變器，而不是使用單個(gè)中央逆變器。設(shè)備內(nèi)部的 PV 電壓通常會(huì)提升至適合輸入到 DC-AC 轉(zhuǎn)換級(jí)的穩(wěn)壓直流值，最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT) 控制器可優(yōu)化面板上的負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)最佳的能量利用。升壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和逆變器是高效的開(kāi)關(guān)電路，其使用各種技術(shù)的半導(dǎo)體。
PV電源轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體選項(xiàng)
過(guò)去，絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)在大功率 DC-DC 和 AC-DC 轉(zhuǎn)換領(lǐng)域一直占主導(dǎo)地位，而新型寬禁帶?(WBG) 半導(dǎo)體（如碳化硅 (SiC) MOSFET）現(xiàn)已問(wèn)世，其額定功率高達(dá)數(shù)十千瓦，在并聯(lián)時(shí)甚至更高。這兩種技術(shù)不僅可以作為通用封裝（如 TO-247）中的單個(gè)設(shè)備使用，還可以作為功率集成模塊 (PIM) 使用。
PIM 在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外殼中集成了多個(gè)開(kāi)關(guān)，有時(shí)還帶有二極管，甚至驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路。這可以為單一封裝中的轉(zhuǎn)換器和逆變器功能提供完整的功率級(jí)。
IGBT 和 SiC MOSFET 在幾個(gè)方面明顯不同；由于動(dòng)態(tài)損耗，IGBT 只能用于低頻，但在導(dǎo)電時(shí)會(huì)降低標(biāo)稱恒定飽和電壓，從而導(dǎo)致與電流成正比的功率損耗。
相比之下，SiC MOSFET 可在數(shù)百 kHz 頻率下切換，且動(dòng)態(tài)損耗較低，但在導(dǎo)電時(shí)會(huì)出現(xiàn)標(biāo)稱恒定電阻，從而導(dǎo)致與電流平方值成正比的功率損耗，隨著功率吞吐量的增加，其劣勢(shì)就越明顯。
圖 1 顯示，在其他類似的條件下，50 A 額定 IGBT PIM 和 38 A SiC PIM 的電壓下降與傳導(dǎo)損耗成正比，在大約 25 A 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳效率交叉點(diǎn)。該圖標(biāo)適用于結(jié)溫為 125℃（典型值）的應(yīng)用。
圖1：125℃?條件下，IGBT 和 SiC MOSFET PIM 的壓降比較
動(dòng)態(tài)損耗取決于頻率，如果在相同低頻（如 16 kHz）下，大約 20 A 至 30 A 開(kāi)關(guān)電流下比較圖 1 中的 IGBT 和 SiC MOSFET，兩者的傳導(dǎo)損耗相似，但動(dòng)態(tài)損耗截然不同。圖 2 顯示的是兩種開(kāi)關(guān)損耗電源，分別為開(kāi)和關(guān)能源（Eon 和 Eoff）。
同樣，這里也有一個(gè)交叉點(diǎn)，但 Eon 相似，兩種設(shè)備類型的傳導(dǎo)損耗大約為 25%，IGBT 略差，但無(wú)論如何，絕對(duì)值不是很大。然而，由于存在“尾”電流，IGBT 的 Eoff 明顯更高，少數(shù)載流子必須在關(guān)斷時(shí)從器件 N 漂移區(qū)清除，這會(huì)出現(xiàn)集電極電壓升高，從而產(chǎn)生瞬態(tài)功率損耗。圖 2 顯示兩種設(shè)備的 Eoff 大約相差 10 倍。
圖 2：16 kHz 下，IGBT 和 SiC MOSFET 的動(dòng)態(tài)損耗比較示例
表 1 總結(jié)了在 16 kHz 和 95℃?溫度條件下，實(shí)際 PV 升壓轉(zhuǎn)換器（輸入為 500 V，25 A 以及輸出為 800 V DC 時(shí)）的差異。SiC 的整體功耗明顯降低，總損耗僅為 IGBT 電路的三分之一左右，且結(jié)溫更低，可靠性更高。
表1：升壓轉(zhuǎn)換器在 16 kHz 條件下的損耗分解
SiC MOSFET在更高頻率條件下表現(xiàn)更為出色
除了節(jié)能外，利用 SiC 提高效率的好處可以視為減小尺寸，降低散熱成本，同樣的散熱性能時(shí)溫升更低，或者，同樣的散熱性能和溫升時(shí)功率吞吐量更高。這些都是有價(jià)值的增益，但值得研究的是，如果利用 SiC 的高頻能力會(huì)發(fā)生什么。將 SiC MOSFET（40 kHz 頻率下）與 IGBT（16 kHz 頻率下）進(jìn)行比較，可得到表 2 中的數(shù)字。
表2：IGBT（16 kHz 條件下）和 SiC MOSFET（40 kHz 條件下）的損耗比較
SiC 器件擁有更高的結(jié)溫，但作為 WBG 器件，其額定工作溫度通常比硅高 25°C。SiC MOSFET 的結(jié)果仍表明其效率明顯高于 IGBT，損耗只有 IGBT 的一半多，優(yōu)勢(shì)旗鼓相當(dāng)。
不過(guò)，頻率的增加也使升壓電感值和體積減少大約三倍，從而降低了成本，減小了體積和重量。此外，在基頻和低諧波下，EMI 濾波可以更小，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)省。SiC MOSFET 確實(shí)有非?？斓倪吘壦俾剩仨氉屑?xì)考慮高頻濾波，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。
損耗并不是 IGBT 和 SiC MOSFET 之間的唯一差異。例如，MOSFET 中有一個(gè)體二極管，而 IGBT 中卻沒(méi)有。這對(duì)于開(kāi)關(guān)中需要反向或“第三象限”傳導(dǎo)的轉(zhuǎn)換級(jí)非常有用。雖然 SiC MOSFET 體二極管的正向壓降相對(duì)較高，但可以用于此。當(dāng)以這種方式使用 IGBT 時(shí)，必須增加一個(gè)額外的并聯(lián)二極管。
因此，我們可以找到一個(gè)平衡點(diǎn)，即在更高頻率下使用 SiC 會(huì)使系統(tǒng)獲得大量好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)兩種技術(shù)之間 PIM 單位成本的差異。隨著新一代器件的推出，SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻下降，越來(lái)越多應(yīng)用的利益交叉點(diǎn)增加到更高的功率等級(jí)。
SiC需要精心設(shè)計(jì)以利用其功能
IGBT 和 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)名義上看似相似，但 SiC 器件的片上驅(qū)動(dòng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)最低傳導(dǎo)損耗更為重要，且必須盡可能接近實(shí)際的絕對(duì)最大值，通常為 25 V。為此，通常采用 20 V，以提供一定的安全裕度。
兩種設(shè)備類型名義上都通過(guò) 0 V 柵極驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，但兩者通常都由幾伏特的負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)。這樣可實(shí)現(xiàn)更小的 Eoff、更少的關(guān)斷時(shí)柵源振鈴，并有助于防止“幻像開(kāi)啟”，其原因可能是與柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路共用的任何源極或發(fā)射極電感的尖峰。
任何設(shè)備的“米勒”電容也可能會(huì)在漏極或集電極電壓邊緣率較高的情況下偽裝開(kāi)啟設(shè)備。同樣，負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)有助于避免問(wèn)題。圖 3 說(shuō)明了效果。
圖3：共源極電感和米勒電容可防止器件關(guān)斷?
耦的高頻布局技術(shù)，以避免不可靠的運(yùn)行和過(guò)度的 EMI。驅(qū)動(dòng)器必須靠近 SiC MOSFET PIM，任何至 MOSFET 源極的可用“開(kāi)爾文”連接應(yīng)用作為驅(qū)動(dòng)器回路導(dǎo)線，以避免共模電感。
由于邊緣速率非?？欤瑴?zhǔn)確測(cè)量 SiC MOSFET PIM 的動(dòng)態(tài)性能可能較困難，所以通常設(shè)備應(yīng)使用 300 MHz 帶寬和高頻測(cè)量技術(shù)。電壓探針應(yīng)與最小的接地回路連接，并通過(guò)高性能傳感器（如 Rogowski 線圈）監(jiān)測(cè)電流。
總結(jié)
開(kāi)關(guān)從 IGBT 向 SiC MOSFET 轉(zhuǎn)換可在更高功率級(jí)上實(shí)現(xiàn)純系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí) PIM 可提供一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。然而，熟悉使用 IGBT 的人應(yīng)該知道，簡(jiǎn)單的換出無(wú)法實(shí)現(xiàn)好的結(jié)果，需要重新評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)的安排、布局和 EMI 濾波，才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。
References[1] https://www.iea.org/reports/solar-pv[2] https://www.solarpowerworldonline.com/2018/11/high-voltage-solar-systems-save-contractors-cash/
國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)顯示，到 2030 年，太陽(yáng)能光伏?(PV) 裝置的裝機(jī)容量有望達(dá)到 3,300 TWh，與 2019 年的水平相比，年增率為 15%[1]，這意味著能源供應(yīng)的比例在不斷上升。光伏裝置的安裝是將微型、迷你和電力公司規(guī)模的混合，但無(wú)論哪種情況都采用類似的 PV 技術(shù)，電池串聯(lián)可獲得較高的可用電壓，并聯(lián)可獲得更高的功率。一個(gè)趨勢(shì)是增加面板串的電壓，以獲得相應(yīng)的低電流的優(yōu)勢(shì)，在連接和布線中產(chǎn)生較少的功率損失。典型的標(biāo)稱面板安裝電壓約為 500 V 至 1000 V，但預(yù)計(jì)未來(lái) 1500 V 會(huì)更常見(jiàn)[2]。為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性和容錯(cuò)性，每個(gè)板串通常都各自配備功率相對(duì)較低的逆變器，而不是使用單個(gè)中央逆變器。設(shè)備內(nèi)部的 PV 電壓通常會(huì)提升至適合輸入到 DC-AC 轉(zhuǎn)換級(jí)的穩(wěn)壓直流值，最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT) 控制器可優(yōu)化面板上的負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)最佳的能量利用。升壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和逆變器是高效的開(kāi)關(guān)電路，其使用各種技術(shù)的半導(dǎo)體。
PV電源轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體選項(xiàng)過(guò)去，絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)在大功率 DC-DC 和 AC-DC 轉(zhuǎn)換領(lǐng)域一直占主導(dǎo)地位，而新型寬禁帶?(WBG) 半導(dǎo)體（如碳化硅 (SiC) MOSFET）現(xiàn)已問(wèn)世，其額定功率高達(dá)數(shù)十千瓦，在并聯(lián)時(shí)甚至更高。這兩種技術(shù)不僅可以作為通用封裝（如 TO-247）中的單個(gè)設(shè)備使用，還可以作為功率集成模塊 (PIM) 使用。
PIM 在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外殼中集成了多個(gè)開(kāi)關(guān)，有時(shí)還帶有二極管，甚至驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路。這可以為單一封裝中的轉(zhuǎn)換器和逆變器功能提供完整的功率級(jí)。
IGBT 和 SiC MOSFET 在幾個(gè)方面明顯不同；由于動(dòng)態(tài)損耗，IGBT 只能用于低頻，但在導(dǎo)電時(shí)會(huì)降低標(biāo)稱恒定飽和電壓，從而導(dǎo)致與電流成正比的功率損耗。
相比之下，SiC MOSFET 可在數(shù)百 kHz 頻率下切換，且動(dòng)態(tài)損耗較低，但在導(dǎo)電時(shí)會(huì)出現(xiàn)標(biāo)稱恒定電阻，從而導(dǎo)致與電流平方值成正比的功率損耗，隨著功率吞吐量的增加，其劣勢(shì)就越明顯。
圖 1 顯示，在其他類似的條件下，50 A 額定 IGBT PIM 和 38 A SiC PIM 的電壓下降與傳導(dǎo)損耗成正比，在大約 25 A 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳效率交叉點(diǎn)。該圖標(biāo)適用于結(jié)溫為 125℃（典型值）的應(yīng)用。
圖1：125℃?條件下，IGBT 和 SiC MOSFET PIM 的壓降比較動(dòng)態(tài)損耗取決于頻率，如果在相同低頻（如 16 kHz）下，大約 20 A 至 30 A 開(kāi)關(guān)電流下比較圖 1 中的 IGBT 和 SiC MOSFET，兩者的傳導(dǎo)損耗相似，但動(dòng)態(tài)損耗截然不同。圖 2 顯示的是兩種開(kāi)關(guān)損耗電源，分別為開(kāi)和關(guān)能源（Eon 和 Eoff）。
同樣，這里也有一個(gè)交叉點(diǎn)，但 Eon 相似，兩種設(shè)備類型的傳導(dǎo)損耗大約為 25%，IGBT 略差，但無(wú)論如何，絕對(duì)值不是很大。然而，由于存在“尾”電流，IGBT 的 Eoff 明顯更高，少數(shù)載流子必須在關(guān)斷時(shí)從器件 N 漂移區(qū)清除，這會(huì)出現(xiàn)集電極電壓升高，從而產(chǎn)生瞬態(tài)功率損耗。圖 2 顯示兩種設(shè)備的 Eoff 大約相差 10 倍。
圖 2：16 kHz 下，IGBT 和 SiC MOSFET 的動(dòng)態(tài)損耗比較示例表 1 總結(jié)了在 16 kHz 和 95℃?溫度條件下，實(shí)際 PV 升壓轉(zhuǎn)換器（輸入為 500 V，25 A 以及輸出為 800 V DC 時(shí)）的差異。SiC 的整體功耗明顯降低，總損耗僅為 IGBT 電路的三分之一左右，且結(jié)溫更低，可靠性更高。
表1：升壓轉(zhuǎn)換器在 16 kHz 條件下的損耗分解SiC MOSFET在更高頻率條件下表現(xiàn)更為出色除了節(jié)能外，利用 SiC 提高效率的好處可以視為減小尺寸，降低散熱成本，同樣的散熱性能時(shí)溫升更低，或者，同樣的散熱性能和溫升時(shí)功率吞吐量更高。這些都是有價(jià)值的增益，但值得研究的是，如果利用 SiC 的高頻能力會(huì)發(fā)生什么。將 SiC MOSFET（40 kHz 頻率下）與 IGBT（16 kHz 頻率下）進(jìn)行比較，可得到表 2 中的數(shù)字。
表2：IGBT（16 kHz 條件下）和 SiC MOSFET（40 kHz 條件下）的損耗比較SiC 器件擁有更高的結(jié)溫，但作為 WBG 器件，其額定工作溫度通常比硅高 25°C。SiC MOSFET 的結(jié)果仍表明其效率明顯高于 IGBT，損耗只有 IGBT 的一半多，優(yōu)勢(shì)旗鼓相當(dāng)。
不過(guò)，頻率的增加也使升壓電感值和體積減少大約三倍，從而降低了成本，減小了體積和重量。此外，在基頻和低諧波下，EMI 濾波可以更小，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)省。SiC MOSFET 確實(shí)有非?？斓倪吘壦俾剩仨氉屑?xì)考慮高頻濾波，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。
損耗并不是 IGBT 和 SiC MOSFET 之間的唯一差異。例如，MOSFET 中有一個(gè)體二極管，而 IGBT 中卻沒(méi)有。這對(duì)于開(kāi)關(guān)中需要反向或“第三象限”傳導(dǎo)的轉(zhuǎn)換級(jí)非常有用。雖然 SiC MOSFET 體二極管的正向壓降相對(duì)較高，但可以用于此。當(dāng)以這種方式使用 IGBT 時(shí)，必須增加一個(gè)額外的并聯(lián)二極管。
因此，我們可以找到一個(gè)平衡點(diǎn)，即在更高頻率下使用 SiC 會(huì)使系統(tǒng)獲得大量好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)兩種技術(shù)之間 PIM 單位成本的差異。隨著新一代器件的推出，SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻下降，越來(lái)越多應(yīng)用的利益交叉點(diǎn)增加到更高的功率等級(jí)。
SiC需要精心設(shè)計(jì)以利用其功能IGBT 和 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)名義上看似相似，但 SiC 器件的片上驅(qū)動(dòng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)最低傳導(dǎo)損耗更為重要，且必須盡可能接近實(shí)際的絕對(duì)最大值，通常為 25 V。為此，通常采用 20 V，以提供一定的安全裕度。
兩種設(shè)備類型名義上都通過(guò) 0 V 柵極驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，但兩者通常都由幾伏特的負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)。這樣可實(shí)現(xiàn)更小的 Eoff、更少的關(guān)斷時(shí)柵源振鈴，并有助于防止“幻像開(kāi)啟”，其原因可能是與柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路共用的任何源極或發(fā)射極電感的尖峰。
任何設(shè)備的“米勒”電容也可能會(huì)在漏極或集電極電壓邊緣率較高的情況下偽裝開(kāi)啟設(shè)備。同樣，負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)有助于避免問(wèn)題。圖 3 說(shuō)明了效果。
圖3：共源極電感和米勒電容可防止器件關(guān)斷?耦的高頻布局技術(shù)，以避免不可靠的運(yùn)行和過(guò)度的 EMI。驅(qū)動(dòng)器必須靠近 SiC MOSFET PIM，任何至 MOSFET 源極的可用“開(kāi)爾文”連接應(yīng)用作為驅(qū)動(dòng)器回路導(dǎo)線，以避免共模電感。
由于邊緣速率非?？欤瑴?zhǔn)確測(cè)量 SiC MOSFET PIM 的動(dòng)態(tài)性能可能較困難，所以通常設(shè)備應(yīng)使用 300 MHz 帶寬和高頻測(cè)量技術(shù)。電壓探針應(yīng)與最小的接地回路連接，并通過(guò)高性能傳感器（如 Rogowski 線圈）監(jiān)測(cè)電流。
總結(jié)開(kāi)關(guān)從 IGBT 向 SiC MOSFET 轉(zhuǎn)換可在更高功率級(jí)上實(shí)現(xiàn)純系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí) PIM 可提供一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。然而，熟悉使用 IGBT 的人應(yīng)該知道，簡(jiǎn)單的換出無(wú)法實(shí)現(xiàn)好的結(jié)果，需要重新評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)的安排、布局和 EMI 濾波，才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。
References[1] https://www.iea.org/reports/solar-pv[2] https://www.solarpowerworldonline.com/2018/11/high-voltage-solar-systems-save-contractors-cash/
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