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光伏逆變器中的功率器件

返回列表 來源：微信發(fā)布日期： 2021.02.28 瀏覽次數：

用于太陽能光伏發(fā)電的系統逆變器（含輸入直流斬波級）的功率半導體器件主要有MOSFET、IGBT、超結MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對的IGBT則開關速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價格便宜并適用于大電流的應用場合。超結MOSFET介于兩者之間，是一種性能價格折中的產品，在實際設計中被廣為應用。概括地說，選用哪類器件取決于成本、效率的要求并兼顧開關頻率。

如果要求硬開關在100kHz以上，一般只有MOSFET能夠勝任。在較低頻段如15kHz，如沒有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于設計中對轉換效率和成本的具體要求。系統效率和成本之間作為一對矛盾，設計中將根據其相應關系對照目標系統要求確定最貼近系統要求的元件型號。表1為三種半導體開關器件的功率損耗，為了便于比較，各參數均以MOSFET情況作歸一化處理，超結MOSFET工藝目前沒有超過900V的器件。

表1 常用開關器件的性能與價格對照表(所有數字以MOSFET情況歸一化)

除去以上最典型的三類全控開關器件，業(yè)界還存在像碳化硅二極管和ESBT等基于新材料和新工藝的產品。它們目前的價格還比較高，主要應用于對太陽能光伏發(fā)電效率有特殊要求的場合。但隨著生產工藝的不斷進步和器件單價的下降，這類器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a品，甚至替代上述的某一類器件。

（1）單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

圖1所示的混合單相全橋功率模塊是專用于光伏單相逆變的產品，配合以單極型調制方法，每個橋臂的兩只開關管分別工作在完全相異開關頻率范圍。以圖1示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調制頻率下動作。根據這種工作特點，上管選用相對便宜的門極溝道型(Trench)IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，而下管可選擇非穿通型(NPT)IGBT以減少開關損耗。這種拓撲結構不但保障了最高系統轉換效率還降低了整個逆變設備的成本。圖2給出了不同器件搭配的轉換效率曲線以印證這種功率模塊的優(yōu)越性?？梢园l(fā)現，這種混合器件配置在不同負載下能實現98%以上的轉換效率。

在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件機制，充分利用兩端器件開關頻率遠高于中間相鄰兩器件。因而APTCV60系列三電平模塊兩端使用超結MOSFET，中間為IGBT的結構，可進一步提高效率。

（2）ESBT

ESBT是應用于太陽能光伏發(fā)電系統中的一種新型高電壓快速開關器件，它兼顧了IGBT和MOSFET的優(yōu)點，不僅電壓耐量高于MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市場的ESBT太陽能升壓斬波器模塊，集成了碳化硅二極管和ESBT，面向5kW～205kW的超高效率升壓應用。其電壓耐量為1200V，集電極和發(fā)射極間飽和通態(tài)電壓很低（接近1V），優(yōu)化開關頻率在30kHz～40kHz之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。實驗表明，這種功率模塊比目前市場上對應的IGBT模塊減少40%的損耗。

根據6kW的參考設計實驗結果，此模塊在50%至滿負載之間，轉換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個百分點。因此，在碳化硅全控器件的價格下降到可接受的范圍之前，對于超高效率的太陽能光伏功率變換應用，ESBT將是優(yōu)選開關器件。

用于光伏逆變器的功率器件正朝著高溫、高頻、低功耗、高功率容量以及智能化、系統化方向發(fā)展，新結構、新工藝硅基功率器件正不斷出現并逼近硅材料的理論極限，新材料功率半導體器件正不斷走向成熟。可以預期，隨著SPIC的不斷發(fā)展，人們期望已久的第二次電子革命將最終到來。