碳化硅器件在光伏逆变器中的应用

光伏发电是SiC器件除新能源汽车领域外的第二大应用领域。光伏逆变器作为光伏电站的转换设备，主要作用是将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电。随着光伏产业迈入“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”的时代，光伏电站电压等级将从1000V提升至1500V及以上，对功率器件的物理性能提出了更高的要求，此时碳化硅进入了大众视野。

在光伏发电应用中，虽然以硅基器件为主的传统逆变器成本约占系统10%左右，但它却是系统能量损耗的主要来源之一。相比于硅基IGBT，SiC MOS具有更低的导通损耗、更低的开关损耗、无电流拖尾现象、高开关速度等优点，并且可以在高温等恶劣的环境中工作，有利于提高光伏逆变器使用寿命。基于SiC优异的性能，SiC在光伏领域的应用逐渐成熟，伴随渗透率的进一步提升，其有望逐渐替代硅基IGBT在光伏逆变器上的应用。

光伏发电作为重要的绿色环保发电方式，发展前景广阔。未来，随着新能源替代传统燃料步伐加速，逆变器向高效率、高功率密度、高可靠性等方向发展，具备高功率、耐高压、 耐高温、高频和低能耗等优点的SiC功率器件也将迎来发展新机遇。

碳化硅（Sic）是第三代半导体材料，由于其优越的材料特性，目前在大功率应用中占有一席之地。与硅相比。碳化硅器件在太阳能逆变器的制造中发挥着至关重要的作用。

典型的光伏逆变器应用场景如下：

l1-10 kW用于生活应用

l100 W至 300 kW用于商业应用

l10-500 kW（未来将达到2 MW~20 MW） 用于公用工程系统

目前的重点是提高体积功率密度（W/m3） 和比功率 （W/kg），从而最大限度地降低成本光伏逆变器。SiC功率半导体器件在光伏电池中的应用，可以帮助解决几个重要问题。
SiC用于光伏电池中的逆变器

50 kW三相光伏逆变器系统

商业光伏装置的额定功率通常为100 kW至1 MW，尤其适用于商业体系。为满足大功率光伏系统的需求，有研究机构开发了50kW光伏逆变器系统样机，是业内第一款比功率为1kW/kg的全SiC逆变器。

图：简化的50kw光伏逆变器电路原理图，显示系统中各种功率转换阶段

电源转换过程由4个通道组成（每通道12.5 kW）交错升压转换器和三个相位逆变器。升压转换器由两个20A SiC MOSFET和两个1200 V/10 A SiC肖特基二极管并联组成。升压转换器在75 kHz的切换频率下运行，在不同的输入电压条件下效率超过99%。

5 kW三相逆变器

除此之外，有研究者使用额定1200v/160a的半桥MOSFET模块研制了一种5 kW三相全SiC逆变器样机。尽管该逆变器不是专门为光伏应用设计的，但它能够证明SiC功率器件在缩小系统规模的同时提高其效率的能力。该系统的切换频率为50 kHz。与硅基逆变器相比，SiC基逆变器能够减少27%的损耗。

图：5kW的SiC三相逆变器样机及其内部结构图

文章来源：功率半导体生态圈

审核编辑：汤梓红