SiC器件在光伏发电领域中的应用

时间： 2023-11-24 来源：森国科公众号

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全球化能源变革不断推进，绿色、低碳发展成为时代的主旋律，太阳能光伏发电成为未来清洁能源利用的重要组成部分。迄今为止，技术已经较为成熟，光伏逆变器的研发即将进入深层次阶段，以适应市场所持续追求的高效率、高功率密度、高可靠性和低成本等目标。未来如需从根本上提高光伏逆变器的性能，采用SiC等宽禁带器件将成为必然的趋势。

SiC器件在光伏发电领域的作用，能否达到降本增效的效果，有行业专家通过以下几个维度进行了对比和评估，仅供参考：

三种光伏逆变器拓扑的对比

下图为典型光伏并网系统的原理示意图，该系统主要包括光伏电池组、DC/DC变换器、电压源逆变器和LCL输出滤波器。根据光伏系统的功率大小，DC/DC变换器可以采用不同的方案，这里采用的是Buck-Boot变换器。下图还给出了实现系统功能所需的主要控制策略。

图 1

由于光伏发电的成本高，因此光伏逆变器必须具有高效率才能提高其市场竞争力。对于硅基逆变器，受开关损耗限制，开关频率不宜过高(一般均低于16kHz)，这会增加磁性元件和散热器的尺寸。

为了提高光伏系统的效率，目前硅基光伏逆变器普遍采用的方案是三电平拓扑，3L-DNPC逆变器。与两电平逆变器相比，三电平逆变器可以通过采用更低电压定额的功率器件以及降低对滤波的要求来提高整机性能。很多光伏逆变器公司均采用这种设计，其效率典型值可达98%。

为了利用宽禁带半导体器件的高击穿电压和低开关损耗优势，一些光伏逆变器公司还提出了一种同时使用SiC器件和Si器件的3L-BSNPC逆变器。

为了降低成本，中点钳位采用Si IGBT实现。这个变换器的最高效率可达98.5%，目前已有企业量产投入市场。这种3L- BSNPC逆变器虽然提高了效率，但器件成本增加。为了在效率提升的同时控制成本，研究人员根据SiC器件的特点，提出重新采用两电平全桥逆变器的方案。

下表对基于Si IGBT的3L-DNPC、基于SiC MOSFET作为开关器件和基于Si IGBT作为钳位开关的3L-BSNPC，以及基于SiC MOSFET的两电平全桥逆变器进行了对比。

表 1

在SiC器件未出现时，3L-DNPC拓扑相比于两电平拓扑有一定优势，在市场上占有一定地位。但与两电平逆变器相比，三电平逆变器的器件数量增多1倍，相应的驱动电路，保护电路也会增加，并且需要设置直流侧电压平衡控制策略。此外，三电平逆变器还存在开关器件损耗分布不均衡等问题，从而导致整机温度分布不均衡。开关频率的增加也会加剧损耗和温度分布的不均衡，影响系统的可靠性。

SiC基两电平全桥逆变器的功率器件损耗和温度分布都较为均衡，功率电路较为简单。由于SiC器件的开关速度快，因此开关频率可取得较高，从而降低滤波元件的尺寸和重量。输入侧直流母线的电容量可以大大减小，从而可用小容值的薄膜电容器代替铝电解电容器，克服后者寿命较短的问题。SiC器件损耗低和耐高温的性能优势使得散热器的尺寸也可明显减小，从而进一步降低整机的体积、重量和成本。

两电平SiC逆变器与三电平混合逆变器

01主要技术指标和参数
为了进一步对两电平SiC逆变器和三电平SiC/Si混合逆变器的成本和效率进行评估，按照下表的技术参数制作了25kV·A功率等级的实验样机。最大直流母线电压为1kV额定输出电流有效值为37A。由于市面上没有现成的三相功率模块可供这一功率等级的逆变器使用，因此为了构成3L-DNPC逆变器，采用了单桥臂Si IGBT模块，每相用一个模块。对于2L-FB光伏逆变器，直接采用三相SiC MOSFET模块。

表 2

02成本比较
根据逆变器中所有的元器件，对Si基3L-DNPC和SiC基2L-FB光伏逆变器的硬件成本进行了评估对比，具体考虑如下：
1）功率模块

如前所述，两种逆变器选择相近定额的功率模块。3L-DNPC逆变器使用Si IGBT模块，每相需要1个，三相一共用3个。2L-FB逆变器使用三相SiC MOSFET模块。

2)驱动电路

功率模块的驱动电路是专门定制的，由驱动芯片、隔离型DC/DC电源模块和线性调节器等构成。

3)印制电路板(PCB)

PCB采用Altium Designer软件设计，由PCB专业厂家PCBCART公司生产。PCB价格基本上由层数和面积决定。

4)散热器

散热器从HS-Marston公司订购。散热器价格主要由冷却方法、散热器热阻抗和功率损耗决定。散热器的热阻Z选取值根据最大允许结温和器件在额定工况下工作的外壳温度计算得到

5)直流母线电容

直流母线电容按照最大电压纹波为直流母线电压的5%计算。SiC基逆变器所需的电容量仅为Si基逆变器的1/3。电容器从Vishay Roederstein公司购得

6)LCL滤波器

输出滤波器由Trafox公司制作。SiC基逆变器的滤波电感值比Si基逆变器的降低了40%左右。

光伏逆变器主要部件的价格,与Si基3L-DNPC逆变器相比，由于SiC基2L-FB逆变器的输出滤波器的尺寸减小(滤波电感值降低40%)，直流母线电容减小(电容量降低70%)，栅极驱动电路数量减半，PCB尺寸更小，因此其硬件总成本比3L-DNPC逆变器的低约8.8%。

表 3

由成本对比可见，虽然SiC MOS模块的价格高于Si IGBT模块，但应用SiC MOSFET模块制成的2L-FB逆变器降低了电路复杂程度。与Si基的3L-DNPC拓扑相比，SiC基的2L-FB逆变器可选择更高的开关频率，使得无源元件的尺寸和成本都有明显降低，同时驱动电路和PCB板的成本也更低，从而降低光伏逆变器的总体成本。从表中可见，这里所研制的25kVA功率等级的SiC基2L-FB逆变器已有硬件成本优势

03效率对比
下表为效率测试对比。当输出功率为9kW以上时，SiC基2L-FB逆变器(开关频率为50kHz)的效率高于Si基3L-DNPC逆变器的效率。需要说明的是，这里的效率测试仅测试了逆变器本身的效率，而未考虑LCL滤波器。

图 2

从以上分析对比可见，SiC基两电平全桥逆变器具有更高的效率，同时因器件数目大幅减少，热量分布更加均匀，所以提高了整机的可靠性，降低了电路的复杂程度、重量和尺寸，且在成本上也具有竞争优势。

因此，新型SiC功率器件的器件优势给光伏逆变器带来整机性能和成本上的优势，必将逐步改变光伏逆变器的现有格局，使得SiC功率器件在光伏发电电能变换领域得到更广泛的认可和应用。

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