碳化硅功率器件在光伏逆变器的应用案例：可显著改善效率和功率密度

时间： 2024-07-27 来源：SMC（桑德斯微电子公众号）

技术问答

碳化硅功率器件的不断发展，为光伏逆变器的性能提升和成本优化带来了新的可能。

逆变电路中的应用

逆变拓扑一般采用H桥结构，通过调节桥臂上四个开关管的开启——关断状态来改变负载上电流流向，从而将直流电转化为交流电。

H桥逆变拓扑

当Q1、Q4导通时，电流沿黄色箭头方向；当Q2、Q3导通时，电流沿蓝色箭头方向。

逆变桥

逆变电路实现与整流电路相反的功能，在结构上也与全波整流拓扑非常类似。由于逆变器的输出所接负载一般为电网或常用电器设备，而这些负载所需交流电频率一般为50Hz或60Hz。

MPPT最大功率点跟踪

在光伏的使用中，定期清洁、随太阳调整电池板支架角度等，都是为了进一步提高太阳能电池发电效率。

MPPT系统原理框图

由于太阳能电池收到光强以及环境等外界因素的影响，其输出功率是动态变化的，光照强，发电就多。带MPPT（Maximum Power Point Tracking）的逆变器可以充分利用太阳能电池，使之运行在最大功率点。

太阳能电池板发电特性曲线

从特性曲线看出，可以通过改变电池板输出电流或调节电池板电压，使电池工作在最大功率点。

对于线性电路来说，当负载电阻等于电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然光伏电池和DC/DC转换电路都是强非线性的，但是在极短时间内仍可认为是线性电路。

调整负载等效电阻即是改变电路占空比，其通过控制DC/DC电路中开关管状态来实现，开关管需要工作在较高频率。

储能逆变器中的应用

储能逆变器是微网重要组成部分，又称为双向逆变器或双向储能逆变器。它允许双向的能量流向，即直流侧到交流侧和交流侧到直流侧。

储能逆变器在使用中的能量流向

技术方面：减少对电网的扰动，促进分布式发电的发展。光伏储能系统在负荷低谷时将光伏发电系统输出的电能用蓄电池储存，在负荷高峰时释放储存的电能，以减少对电网的压力。在电网故障时，太阳能可继续发电，并切换到离网模式继续给负载供电。

经济性方面：并网补贴较低，且逐年递减，还会限制并网功率，但电价较高且逐年增加，因而在事实上形成了电能的低卖高买。

储能逆变器结构

储能逆变器所适用的微网，在使用过程中需要在离网和并网间切换。上图左边为常见的储能逆变器结构，单元U2在并网状态下呈电流源特性，在离网状态下呈电压源特性，工作模式不能实现无缝切换。

为解决因为单元U2工作模式切换问题，可将单元U2拆为U2和U4两个单元（如右图），分别对应电网和负载，分别工作在固定工作模式下，以提高逆变器的工作质量。

微型逆变器中的应用

微型逆变器的技术趋势是从多级式向单级式发展，减少器件数量，从而减小元件尺寸和各类损耗，提高可靠性，以实现降低成本并增加功率密度的目的。

采用SiC MOS的100kHz，200W开关的拓扑

碳化硅器件应用于大功率集成度要求高的场合，可显著改善微型逆变器效率和功率密度。

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2015年，SMC布局碳化硅产品的设计、研发与制造，并推出了一系列节能可靠、高性价比的大功率碳化硅产品器件，可广泛运用于包括新能源汽车、光伏、储能、电源等各个领域。

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