碳化硅器件在光伏逆變器中的應用

光伏發(fā)電是SiC器件除新能源汽車領域外的第二大應用領域。光伏逆變器作為光伏電站的轉換設備，主要作用是將太陽電池組件產(chǎn)生的直流電轉化為交流電。隨著光伏產(chǎn)業(yè)邁入“大組件、大逆變器、大跨度支架、大組串”的時代，光伏電站電壓等級將從1000V提升至1500V及以上，對功率器件的物理性能提出了更高的要求，此時碳化硅進入了大眾視野。

在光伏發(fā)電應用中，雖然以硅基器件為主的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，但它卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。相比于硅基IGBT，SiC MOS具有更低的導通損耗、更低的開關損耗、無電流拖尾現(xiàn)象、高開關速度等優(yōu)點，并且可以在高溫等惡劣的環(huán)境中工作，有利于提高光伏逆變器使用壽命。基于SiC優(yōu)異的性能，SiC在光伏領域的應用逐漸成熟，伴隨滲透率的進一步提升，其有望逐漸替代硅基IGBT在光伏逆變器上的應用。

光伏發(fā)電作為重要的綠色環(huán)保發(fā)電方式，發(fā)展前景廣闊。未來，隨著新能源替代傳統(tǒng)燃料步伐加速，逆變器向高效率、高功率密度、高可靠性等方向發(fā)展，具備高功率、耐高壓、 耐高溫、高頻和低能耗等優(yōu)點的SiC功率器件也將迎來發(fā)展新機遇。

碳化硅（Sic）是第三代半導體材料，由于其優(yōu)越的材料特性，目前在大功率應用中占有一席之地。與硅相比。碳化硅器件在太陽能逆變器的制造中發(fā)揮著至關重要的作用。

典型的光伏逆變器應用場景如下：

l1-10 kW用于生活應用

l100 W至 300 kW用于商業(yè)應用

l10-500 kW（未來將達到2 MW~20 MW） 用于公用工程系統(tǒng)

目前的重點是提高體積功率密度（W/m3） 和比功率 （W/kg），從而最大限度地降低成本光伏逆變器。SiC功率半導體器件在光伏電池中的應用，可以幫助解決幾個重要問題。
SiC用于光伏電池中的逆變器

50 kW三相光伏逆變器系統(tǒng)

商業(yè)光伏裝置的額定功率通常為100 kW至1 MW，尤其適用于商業(yè)體系。為滿足大功率光伏系統(tǒng)的需求，有研究機構開發(fā)了50kW光伏逆變器系統(tǒng)樣機，是業(yè)內(nèi)第一款比功率為1kW/kg的全SiC逆變器。

圖：簡化的50kw光伏逆變器電路原理圖，顯示系統(tǒng)中各種功率轉換階段

電源轉換過程由4個通道組成（每通道12.5 kW）交錯升壓轉換器和三個相位逆變器。升壓轉換器由兩個20A SiC MOSFET和兩個1200 V/10 A SiC肖特基二極管并聯(lián)組成。升壓轉換器在75 kHz的切換頻率下運行，在不同的輸入電壓條件下效率超過99%。

5 kW三相逆變器

除此之外，有研究者使用額定1200v/160a的半橋MOSFET模塊研制了一種5 kW三相全SiC逆變器樣機。盡管該逆變器不是專門為光伏應用設計的，但它能夠證明SiC功率器件在縮小系統(tǒng)規(guī)模的同時提高其效率的能力。該系統(tǒng)的切換頻率為50 kHz。與硅基逆變器相比，SiC基逆變器能夠減少27%的損耗。

圖：5kW的SiC三相逆變器樣機及其內(nèi)部結構圖

文章來源：功率半導體生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅