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國際能源署的數(shù)據(jù)顯示，到 2030 年，太陽能光伏 (PV) 裝置的裝機容量有望達到 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。一個趨勢是增加面板串的電壓，以獲得相應的低電流的優(yōu)勢，在連接和布線中產(chǎn)生較少的功率損失。典型的標稱面板安裝電壓約為 500 V 至 1000 V，但預計未來 1500 V 會更常見[2]。

為實現(xiàn)可擴展性、經(jīng)濟性和容錯性，每個板串通常都各自配備功率相對較低的逆變器，而不是使用單個中央逆變器。設備內(nèi)部的 PV 電壓通常會提升至適合輸入到 DC-AC 轉(zhuǎn)換級的穩(wěn)壓直流值，最大功率點追蹤 (MPPT) 控制器可優(yōu)化面板上的負載，以實現(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關電路，其使用各種技術(shù)的半導體。

PV電源轉(zhuǎn)換半導體選項

過去，絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)在大功率 DC-DC 和 AC-DC 轉(zhuǎn)換領域一直占主導地位，而新型寬禁帶 (WBG) 半導體（如碳化硅 (SiC) MOSFET）現(xiàn)已問世，其額定功率高達數(shù)十千瓦，在并聯(lián)時甚至更高。這兩種技術(shù)不僅可以作為通用封裝（如 TO-247）中的單個設備使用，還可以作為功率集成模塊 (PIM) 使用。

PIM 在工業(yè)標準外殼中集成了多個開關，有時還帶有二極管，甚至驅(qū)動器和保護電路。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。

IGBT 和 SiC MOSFET 在幾個方面明顯不同；由于動態(tài)損耗，IGBT 只能用于低頻，但在導電時會降低標稱恒定飽和電壓，從而導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，且動態(tài)損耗較低，但在導電時會出現(xiàn)標稱恒定電阻，從而導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 的電壓下降與傳導損耗成正比，在大約 25 A 時，可實現(xiàn)最佳效率交叉點。該圖標適用于結(jié)溫為 125℃（典型值）的應用。

圖1：125℃ 條件下，IGBT 和 SiC MOSFET PIM 的壓降比較

動態(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 開關電流下比較圖 1 中的 IGBT 和 SiC MOSFET，兩者的傳導損耗相似，但動態(tài)損耗截然不同。圖 2 顯示的是兩種開關損耗電源，分別為開和關能源（Eon 和 Eoff）。

同樣，這里也有一個交叉點，但 Eon 相似，兩種設備類型的傳導損耗大約為 25%，IGBT 略差，但無論如何，絕對值不是很大。然而，由于存在“尾”電流，IGBT 的 Eoff 明顯更高，少數(shù)載流子必須在關斷時從器件 N 漂移區(qū)清除，這會出現(xiàn)集電極電壓升高，從而產(chǎn)生瞬態(tài)功率損耗。圖 2 顯示兩種設備的 Eoff 大約相差 10 倍。

圖 2：16 kHz 下，IGBT 和 SiC MOSFET 的動態(tài)損耗比較示例

表 1 總結(jié)了在 16 kHz 和 95℃ 溫度條件下，實際 PV 升壓轉(zhuǎn)換器（輸入為 500 V，25 A 以及輸出為 800 V DC 時）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，同樣的散熱性能時溫升更低，或者，同樣的散熱性能和溫升時功率吞吐量更高。這些都是有價值的增益，但值得研究的是，如果利用 SiC 的高頻能力會發(fā)生什么。將 SiC MOSFET（40 kHz 頻率下）與 IGBT（16 kHz 頻率下）進行比較，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)勢旗鼓相當。

不過，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，從而實現(xiàn)進一步的節(jié)省。SiC MOSFET 確實有非?？斓倪吘壦俾?，但必須仔細考慮高頻濾波，以滿足排放標準。

損耗并不是 IGBT 和 SiC MOSFET 之間的唯一差異。例如，MOSFET 中有一個體二極管，而 IGBT 中卻沒有。這對于開關中需要反向或“第三象限”傳導的轉(zhuǎn)換級非常有用。雖然 SiC MOSFET 體二極管的正向壓降相對較高，但可以用于此。當以這種方式使用 IGBT 時，必須增加一個額外的并聯(lián)二極管。

因此，我們可以找到一個平衡點，即在更高頻率下使用 SiC 會使系統(tǒng)獲得大量好處，遠遠超過兩種技術(shù)之間 PIM 單位成本的差異。隨著新一代器件的推出，SiC MOSFET 的導通電阻下降，越來越多應用的利益交叉點增加到更高的功率等級。

SiC需要精心設計以利用其功能

IGBT 和 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動名義上看似相似，但 SiC 器件的片上驅(qū)動對于實現(xiàn)最低傳導損耗更為重要，且必須盡可能接近實際的絕對最大值，通常為 25 V。為此，通常采用 20 V，以提供一定的安全裕度。

兩種設備類型名義上都通過 0 V 柵極驅(qū)動關閉，但兩者通常都由幾伏特的負電壓驅(qū)動。這樣可實現(xiàn)更小的 Eoff、更少的關斷時柵源振鈴，并有助于防止“幻像開啟”，其原因可能是與柵極驅(qū)動環(huán)路共用的任何源極或發(fā)射極電感的尖峰。

任何設備的“米勒”電容也可能會在漏極或集電極電壓邊緣率較高的情況下偽裝開啟設備。同樣，負柵極驅(qū)動有助于避免問題。圖 3 說明了效果。

圖3：共源極電感和米勒電容可防止器件關斷

耦的高頻布局技術(shù)，以避免不可靠的運行和過度的 EMI。驅(qū)動器必須靠近 SiC MOSFET PIM，任何至 MOSFET 源極的可用“開爾文”連接應用作為驅(qū)動器回路導線，以避免共模電感。

由于邊緣速率非常快，準確測量 SiC MOSFET PIM 的動態(tài)性能可能較困難，所以通常設備應使用 300 MHz 帶寬和高頻測量技術(shù)。電壓探針應與最小的接地回路連接，并通過高性能傳感器（如 Rogowski 線圈）監(jiān)測電流。

總結(jié)

開關從 IGBT 向 SiC MOSFET 轉(zhuǎn)換可在更高功率級上實現(xiàn)純系統(tǒng)優(yōu)勢，同時 PIM 可提供一個簡單的解決方案。然而，熟悉使用 IGBT 的人應該知道，簡單的換出無法實現(xiàn)好的結(jié)果，需要重新評估柵極驅(qū)動的安排、布局和 EMI 濾波，才能實現(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/