碳化硅器件在光伏逆變器中的應用

地球表面每年接受太陽能輻射能量高達5.4*10²⁴J，若能將其中的十萬分之一轉化為電能，就可以滿足目前全世界的能耗需求。光伏因具有綠色環保，取之不盡，用之不竭的特點，近年來受到追捧。
2022年5月30日，財政部正式印發的《財政支持做好碳達峰碳中和工作的意見》提到2030年前推動碳達峰目標順利實現，2060年前推動碳中和目標順利實現。 “十四五”作出更具體的目標，國家要求積極發展太陽能等新能源，大力提升光伏發電規模。
放眼全球，俄烏沖突，疫情形勢等各種不確定性因素，加速了全球對能源轉型的需求。世界各國紛紛作出表態發展光伏。數據最能直觀體現市場趨勢，根據BNEF（彭博新能源金融）機構預測，到2030年全球光伏新增裝機量更是達到334GW。預測數據如圖1所示:

?圖1 BNEF機構2022-2030全球光伏新增裝機預測

圖1備注：以上其他部分（Other）的統計包括澳洲、北極、南極、群島等未具體劃分的地區。
未來隨著光伏發電市場的蓬勃發展，光伏逆變器的應用將大幅增長。彈性市場需求疊加剛性政策目標，“光伏熱”持續發力，而光伏逆變器作為光伏發電系統的“大腦”，如何更加有效率地工作是一個重要的問題，因而碳化硅順應時勢應用到光伏逆變器中的優勢顯而易見。
目前在光伏系統中硅基光伏逆變器的使用壽命短于光伏組件的使用壽命。而使用碳化硅的光伏逆變器能夠延長逆變器壽命、提高光伏系統的整體使用時間，以減少替換光伏逆變器的成本并降低系統全生命周期內每一度電的單位成本。
近年來光伏電站電壓等級從1000V提升至1500V，從1700V到2200V的轉變，更高的電壓要求也提升了碳化硅功率器件在光伏逆變器的使用率。
基于各種因素，碳化硅器件在光伏逆變器中的重要性不言而喻。
目前分布式光伏更受歡迎，甚至于成為全民光伏。本文將對光伏電站系統中，升壓電站的功率模塊進行分析，比較硅基二極管與碳化硅二極管的實際運用情況，評估我司碳化硅二極管功率器件的應用優勢，協助相關人員更深刻地認識到碳化硅在光伏逆變器中的使用值。

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10kW光伏逆變器（見圖2）

實測電路工作原理

三相10kW光伏逆變器對拓撲如圖2所示，光伏板（PV）電壓通過升壓電站升壓至母線，之后通過三相TNPC電路逆變并網。
升壓部分的續流二極管如圖2中綠框所示，將其由硅基功率器件換成碳化硅功率器件，因為碳化硅二極管相對于硅基的快恢復二極管（FRD）幾乎沒有開關損耗，因此可以提升整機效率。
如果將圖2中的T1、T2由IGBT換成SiC MOSFET，可以使整機的重量和體積進一步減小，效率會進一步提高。
為了體現其優勢，如何提升整機效率，本文通過實驗，測試效率及損耗計算仿真的方法評估三相10kW光伏逆變器在不同工況下，使用碳化硅二極管相對于硅基快恢復二極管（FRD）所帶來的效率提升。

續流二極管部分

圖2?10kW光伏逆變器對拓撲

三相10kW光伏逆變器內部器件如圖3直觀所示，輸出相電壓有效值為220V，三相四線連接。
逆變器工作模式以下兩種情況分別分析：當光伏板電壓高于662V時，逆變器進入一級模式，即升壓部分電路不工作，光伏板能量直接通過升壓部分續流二極管傳輸到母線電容。當光伏板電壓低于662V時，逆變器進入二級模式，升壓部分電路工作，將光伏板能量通過升壓部分電路升壓之后傳輸到母線電容。

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??圖3 三相10kW光伏逆變器

我司通過實測升壓部分電路的相關波形（如圖4），得到一級模式與二極模式的區別波形。其中紫色波形為Boost電感電流IL，紅色波形為IGBT Vce?？梢钥吹?，當升壓部分電壓逐漸下降到662V后，三相10kW光伏逆變器由一級模式進入二級模式，升壓部分電路開始工作，Boost電感電流IL和IGBT Vce的波形不再是一根直線。

?圖4 實測升壓部分電路相關波形

 

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碳化硅二極管與硅基二極管的對比測試

碳化硅二極管的優勢顯現

升壓部分的續流二極管選取1200V/30A硅基的快恢復二極管（FRD）和1200V/20A碳化硅二極管進行對比測試。其中1200V/20A碳化硅二極管采用我司產品GT1A2D120R。
根據三相10kW光伏逆變器一級模式和二級模式切換電壓，可以通過PV=600V和PV=700V對比測試碳化硅二極管比硅基二極管的效率差別。
當PV=600V時，三相10kW光伏逆變器工作在二級模式，整機效率差別與二極管的損耗對比如圖5所示，其中橘色是我司產品GT1A2D120R的相關數據，藍色是1200V/30A硅基快恢復二極管的相關數據，橫軸是逆變器輸出功率，左邊縱軸是整機效率（對應圖中曲線），右邊的縱軸是器件損耗（對應圖中柱狀圖），由圖中信息可知，升壓二極管由硅基換成碳化硅，損耗最多可減少60W，整機效率最大可提升1.85%@2.5kW，0.55%@10kW。

?圖5 PV=600V的整機效率差別與二極管的損耗對比

當PV=700V時，三相10kW光伏逆變器工作在一級模式，整機效率差別與二極管的損耗對比如圖6所示，其中橘色是我司產品GT1A2D120R的相關數據，藍色是1200V/30A硅基快恢復二極管的相關數據，橫軸是逆變器輸出功率，左邊縱軸是整機效率（對應圖中曲線），右邊的縱軸是器件損耗（對應圖中柱狀圖），PV=700V，故升壓部分電路不工作，整體效率高 (>97%)，但碳化硅二極管替代硅基二極管因其阻抗較低，器件損耗最多可減少10W，整機效率最大可提升0.06%@10kW。

圖6 PV=700V的整機效率差別與二極管的損耗對比

綜上所示，三相10kW光伏逆變器的升壓續流二極管用碳化硅替代硅基，雖然在一級模式下（PV=700V），升壓部分電路不工作，碳化硅二極管替代硅基二極管因其阻抗較低，相對損耗較小，器件損耗最多可減少10W，整機效率最大可提升0.06%@10kW。但是在二級模式下（PV=600V），優勢就更明顯，因為升壓部分電路工作，碳化硅肖特基二極管（SBD）相對與硅基快恢復二極管（FRD）幾乎沒有開關損耗，整體器件損耗最多可減少60W，整機效率最大可提升1.85%@2.5kW，0.55%@10kW。

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結論

通過以上分析對比可以得出，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器現在和未來的發展趨勢?，F階段，碳化硅二極管是光伏逆變器行業中比較普及和推崇的，節能減排立即可見。隨著時代的發展趨勢，光伏逆變器產品也在不斷地推陳出新，大量的更高電壓等級、更大電流等級的產品相繼推出，基于碳化硅MOSFET的更大優勢也正在發展中，因此未來市場對碳化硅MOSFET的需求增長也會非常迅速。
碳化硅材料作為第三代半導體，在逆變器、太陽能發電應用上更具效率和可靠性，目前光伏逆變器廠商也紛紛與第三代半導體企業合作，正積極測試使用碳化硅的光伏逆變器產品，搶占市場份額。在全球碳達峰碳中和的驅動背景下，新型碳化硅功率器件給光伏逆變器帶來效率和損耗上的優勢，將使碳化硅的應用與市場規模上升到一個新的高度。