【導讀】與硅技術(shù)相比，SiC MOSFET在光伏和儲能應用中具有明顯的優(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(lái)搬運和安裝該系統，將會(huì )非常利于運維。因此，尺寸和重量非常重要。最新一代的碳化硅半導體使電力轉換效率大幅提高。這不僅節省了能源，而且使設備更小、更輕，相關(guān)的資本、安裝和維護成本更低。
關(guān)鍵的應用要求及其挑戰。
在光伏和儲能系統中，1500V的高系統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效率。由于這些矛盾的要求，ANPC多電平拓撲結構是目前首選的解決方案，因為其在整個(gè)功率因數運行范圍內的效率最高（圖1）。這樣的逆變器完美適用于太陽(yáng)能和電池存儲應用。
圖1：1500V光伏逆變器的兩種最常見(jiàn)拓撲結構的比較
適應ANPC拓撲結構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和相應的硅續流二極管（FWD）組成。晶體管M2和M3由帶有體二極管的CoolSiC? MOSFET組成。通過(guò)使用圖2中的調制方案[1]和[2]，IGBT在工頻50/60Hz的情況下開(kāi)關(guān)。因此，IGBT被優(yōu)化為具有較低的導通損耗。這樣，開(kāi)關(guān)損耗只發(fā)生在快速和高效的SiC MOSFET上。因此，SiC器件的數量減少到最低限度，實(shí)現了最佳的成本-性能比。
圖2：Easy 3B功率模塊中的ANPC拓撲結構及其調制方案
與IGBT逆變器方案相比，尺寸相當的SiC 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(zhù)功率處理能力增加32%，達到139千伏安，這個(gè)解決方案的功率轉換損失幾乎降低了5%。這進(jìn)一步將逆變器的效率提高了0.3%——這是一場(chǎng)真正的"值得信賴(lài)的革命！"
圖3：在16kHz下開(kāi)關(guān)的950V EasyPACK? 3B IGBT解決方案與在32kHz下開(kāi)關(guān)的EasyPACK? 2B CoolSiC? MOSFET解決方案的比較
參考設計證明了其優(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(zhù)優(yōu)勢，英飛凌已經(jīng)為額定功率高達300kW的1500 VDC系統開(kāi)發(fā)了一個(gè)模塊化參考設計。該設計采用了新穎的雙向3電平ANPC拓撲結構，在兩個(gè)方向上的效率接近99%，開(kāi)關(guān)頻率高達96kHz（交錯并聯(lián)結構）。對于包括散熱器和所有控制在內的完整解決方案來(lái)說(shuō)，功率密度大于5千瓦/公斤，在理想的80公斤最大機柜重量中，可輸出300千瓦功率。
通過(guò)使用SiC可以很容易地從整體效率的提高中計算出能源使用和成本節約；例如，與超級結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%的額外能量和運行時(shí)間。對于類(lèi)似的性能，SiC MOSFET的單位成本通常高于IGBT。但在系統層面上，硬件成本會(huì )大大降低，因為更高的開(kāi)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省5-10%（圖4）。
圖4：與IGBT相比，使用SiC MOSFET的組串逆變器的系統成本明顯降低
作者：sureshthangavel
翻譯：趙佳
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