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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(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)趨勢是增加面板串的電壓，以獲得相應(yīng)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(biāo)稱面板安裝電壓約為 500 V 至 1000 V，但預(yù)計(jì)未來 1500 V 會更常見[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(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)開關(guān)，有時(shí)還帶有二極管，甚至驅(qū)動器和保護(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。

IGBT 和 SiC MOSFET 在幾個(gè)方面明顯不同；由于動態(tài)損耗，IGBT 只能用于低頻，但在導(dǎo)電時(shí)會降低標(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，且動態(tài)損耗較低，但在導(dǎo)電時(shí)會出現(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(guān)電流下比較圖 1 中的 IGBT 和 SiC MOSFET，兩者的傳導(dǎo)損耗相似，但動態(tài)損耗截然不同。圖 2 顯示的是兩種開關(guān)損耗電源，分別為開和關(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(guān)斷時(shí)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(shè)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(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)勢旗鼓相當(dāng)。

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(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)省。SiC MOSFET 確實(shí)有非常快的邊緣速率，但必須仔細(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 中卻沒有。這對于開關(guān)中需要反向或“第三象限”傳導(dǎo)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(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 會使系統(tǒng)獲得大量好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)通電阻下降，越來越多應(yīng)用的利益交叉點(diǎn)增加到更高的功率等級。

SiC需要精心設(shè)計(jì)以利用其功能

IGBT 和 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動名義上看似相似，但 SiC 器件的片上驅(qū)動對于實(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 0 V 柵極驅(qū)動關(guān)閉，但兩者通常都由幾伏特的負(fù)電壓驅(qū)動。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(shè)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(shè)備。同樣，負(fù)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(guān)斷

耦的高頻布局技術(shù)，以避免不可靠的運(yùn)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(yīng)用作為驅(qū)動器回路導(dǎo)線，以避免共模電感。

由于邊緣速率非常快，準(zhǔn)確測量 SiC MOSFET PIM 的動態(tài)性能可能較困難，所以通常設(shè)備應(yīng)使用 300 MHz 帶寬和高頻測量技術(shù)。電壓探針應(yīng)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(guān)從 IGBT 向 SiC MOSFET 轉(zhuǎn)換可在更高功率級上實(shí)現(xiàn)純系統(tǒng)優(yōu)勢，同時(shí) PIM 可提供一個(gè)簡單的解決方案。然而，熟悉使用 IGBT 的人應(yīng)該知道，簡單的換出無法實(shí)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(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/