用于下一代光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案的寬禁帶半導(dǎo)體

　　碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體正在為下一代光伏（PV）和儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）提供更高效率、更小尺寸的電源轉(zhuǎn)換解決方案。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹英飛凌科技和東芝提供的此類(lèi)產(chǎn)品的示例。

　　光伏安裝和發(fā)電量強(qiáng)勁增長(zhǎng)

　　2050年溫室氣體凈零排放氣候變化目標(biāo)正在推動(dòng)許多國(guó)家采用可再生能源生產(chǎn)。光伏電池板效率和可靠性的提高、成本的降低以及政府補(bǔ)貼的結(jié)合推動(dòng)了太陽(yáng)能發(fā)電的顯著增長(zhǎng)。2022年光伏累計(jì)裝機(jī)容量突破1TW，年內(nèi)新增容量240GW。這占到2022年新增可再生能源裝機(jī)容量的三分之二。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年的累計(jì)年增長(zhǎng)率約為20%。據(jù)估計(jì)，到2050年，風(fēng)能和太陽(yáng)能將占所有能源產(chǎn)量的約三分之二。

　　PV和ESS電源轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)

　　對(duì)于住宅用途，光伏輸出通常低于20kW，最大直流電壓為600V，典型單相輸出為110/230VAC。目前，公用事業(yè)規(guī)模的光伏發(fā)電的額定直流電壓通常為1，000V。更低的歐姆損耗以及由此提高的端到端效率，加上更少的并聯(lián)串來(lái)降低安裝成本，正在推動(dòng)將該電壓從1，000V提高到1，500V。并網(wǎng)公用發(fā)電機(jī)的功率輸出可以從幾百千瓦到幾兆瓦。ESS系統(tǒng)相應(yīng)擴(kuò)展，典型的住宅壁掛式裝置功率范圍為3kW至20kW，電池電壓升至450V范圍。商業(yè)和公用事業(yè)ESS裝置的范圍可達(dá)兆瓦級(jí)別。

　　連接ESS的方法可以是交流耦合（其中電池通過(guò)DC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換的組合，然后并入電網(wǎng)）或直流耦合（其中直流光伏發(fā)電電源通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器連接到電池）。這種具有內(nèi)置ESS功能的混合逆變器可以避免不必要的電源轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換器必須是雙向的，以便根據(jù)供應(yīng)和需求來(lái)獲取和吸收電池能量。

　　隨著電動(dòng)汽車(chē)的日益普及，電動(dòng)汽車(chē)電池可以用作車(chē)到戶配置中的能源。在此，電動(dòng)汽車(chē)電池可以通過(guò)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器直流耦合到光伏混合逆變器，也可以通過(guò)板載或板外雙向DC/AC逆變器交流耦合到電網(wǎng)。

　　這里使用了多種轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，每種設(shè)計(jì)都有自己的優(yōu)點(diǎn)。CLLC和雙有源電橋（DAB）是雙向隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的常見(jiàn)拓?fù)?，其中低壓（例?8V的電池或光伏電源）與高壓直流輸出（為逆變器供電，例如400V）之間需要隔離。當(dāng)沒(méi)有低電壓時(shí)，可以使用非隔離升壓DC/DC逆變器，例如輸出600V的較大的串式太陽(yáng)能系統(tǒng)的輸出。

　　無(wú)變壓器雙向DC/AC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)——例如高效可靠的逆變器概念（HERIC）或多電平有源中性點(diǎn)轉(zhuǎn)換器（ANPC）——由于提高了效率并降低了系統(tǒng)成本、尺寸和重量，因此越來(lái)越受歡迎。HERIC逆變器可用于單相串式逆變器，輸出功率可達(dá)幾千瓦，而ANPC可用于輸出功率從數(shù)百千瓦到數(shù)兆瓦的中央逆變器。多電平ANPC允許使用額定電壓較低的器件（Vbus÷（n–1），其中Vbus是全總線電壓，n是電平數(shù)），并且還可以減少轉(zhuǎn)換期間的電壓轉(zhuǎn)換（dv/dt），從而減少電磁干擾。

　　用于PV和ESS功率轉(zhuǎn)換的WBG器件

　　在PV和ESS雙向DC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，WBG器件比傳統(tǒng)Si器件具有許多優(yōu)勢(shì)。更高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小系統(tǒng)尺寸并提高效率。損耗減少可以使冷卻要求變得更簡(jiǎn)單。GaN器件還可以為更簡(jiǎn)單的交流開(kāi)關(guān)拓?fù)涮峁┆?dú)特的雙向功能，從而將器件數(shù)量減少4倍。

　　圖1顯示了SiC和GaN器件在太陽(yáng)能和ESS應(yīng)用中的應(yīng)用空間。SiC非常適合在更大功率和更高電壓領(lǐng)域取代Si器件，器件的額定電壓范圍為1，200V至3，300V。額定電壓為650V或以下的快速開(kāi)關(guān)GaN器件非常適合單個(gè)光伏微型逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

　　圖1：SiC和GaN在太陽(yáng)能和ESS系統(tǒng)中的應(yīng)用空間。（圖片來(lái)源：英飛凌科技）

　　如圖2所示，英飛凌生產(chǎn)的CoolSiC和CoolGaN器件與傳統(tǒng)Si器件相比具有多種優(yōu)勢(shì)。SiC改善了隨溫度變化的RDS（on）特性。GaN HEMT具有較低的輸出和柵極電荷（分別為Qoss和Qg），從而實(shí)現(xiàn)最低的開(kāi)關(guān)損耗。GaN的Qoss較低，可用于降低軟開(kāi)關(guān)CLLC拓?fù)渲械乃绤^(qū)時(shí)間并降低RMS系數(shù)。

　　圖2：與具有相似電壓和RDS（on）額定值的超級(jí)結(jié)Si MOSFET器件相比，SiC和GaN在導(dǎo)通電阻、輸出電荷隨漏極電壓的變化以及柵極電荷與柵極電壓的關(guān)系方面的比較。（圖片來(lái)源：英飛凌科技）

　　這些優(yōu)勢(shì)直接轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)換器效率的提高。例如，當(dāng)將56V ESS電池放電到400V總線時(shí)，在諧振頻率以上運(yùn)行的DC/DC CLLC轉(zhuǎn)換器可以在正在執(zhí)行同步整流的次級(jí)側(cè)高壓開(kāi)關(guān)上實(shí)現(xiàn)低得多的反向恢復(fù)損耗。DAB轉(zhuǎn)換器初級(jí)FET上的米勒柵極電荷（Qgd）會(huì)低得多，從而使初級(jí)側(cè)FET上的Eoff損耗低得多。

　　體二極管抗浪涌電流能力遠(yuǎn)高于器件的標(biāo)稱電流額定值，這可能是SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)雙向功率轉(zhuǎn)換能力的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)?；赟iC的轉(zhuǎn)換器的工作頻率是類(lèi)似額定值的Si IGBT的開(kāi)關(guān)頻率的幾倍，同時(shí)仍然具有較小或相當(dāng)?shù)膿p耗，從而節(jié)省了系統(tǒng)的磁性元件尺寸，進(jìn)而降低了尺寸和成本。英飛凌的分立CoolSiC器件產(chǎn)品額定電壓范圍為650V至2，000V，適用于硬開(kāi)關(guān)和諧振開(kāi)關(guān)拓?fù)洹?/p>

　　在PCIM 2023上，東芝推出了具有嵌入式肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的額定2，200V的SiC MOSFET。該器件封裝為雙SiC MOSFET模塊。該額定電壓允許在1，500V光伏應(yīng)用中使用兩電平逆變器。與三電平拓?fù)湎啾龋鼈兊拈_(kāi)關(guān)級(jí)更少，因此更小、更輕。該額定電壓為2，200V的器件與之前的額定電壓為1，700V和3，300V的SiC MOSFET一樣，遵循RDS（on）與Vds的關(guān)系。

　　SiC MOSFET在其內(nèi)置體二極管的正向?qū)A段可能會(huì)受到基面缺陷增長(zhǎng)的影響。這會(huì)導(dǎo)致RDS（on）增加和可靠性降低。單極SBD導(dǎo)通有效地避免了這種雙極導(dǎo)通階段，從而提高了可靠性。由于SBD的正向?qū)妷狠^低，使用SBD還可以減少轉(zhuǎn)換器中的死區(qū)時(shí)間損耗。

　　光伏應(yīng)用中的問(wèn)題之一是宇宙射線退化和故障。一項(xiàng)研究表明，地面中子暴露引起的單事件燒毀故障率是VDS/VAVAL比值的函數(shù)，其中VDC是器件的額定電壓，VAVAL是其雪崩起始電壓。對(duì)于VDS/VAVAL為0.5或更低的器件，十億分之一的實(shí)時(shí)故障率要低得多（＜1）。該比率可以通過(guò)外延層/漂移層優(yōu)化來(lái)調(diào)整。如圖3所示，與1，700V MOSFET相比，這些2，200V SiC MOSFET在白中子輻照（以綠色顯示）下的故障率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　圖3：東芝2，200V SiC MOSFET（以綠色顯示）與現(xiàn)有1，700V器件的中子輻照故障率對(duì)比。（圖片來(lái)源：Ogata等人，2023年）

　　在150℃的全額定VDS下對(duì)這些2，200V MOSFET進(jìn)行的高溫反向偏置測(cè)試顯示，關(guān)鍵直流參數(shù)——例如閾值電壓Vth、RDS（on）和漏極泄漏——在2，000小時(shí)應(yīng)力間隔內(nèi)發(fā)生了小于5%的變化。

　　他們對(duì)使用1，200V和1，700V Si IGBT（工作頻率為3.9kHz）的三電平逆變器與使用這些2，200V SiC MOSFET（工作頻率為7.8kHz）的兩電平逆變器的開(kāi)關(guān)性能進(jìn)行了比較。這是在1，200V、200A和125℃的條件下完成的。即使在較高頻率下，2，200V轉(zhuǎn)換器的功耗也顯著降低了37%。

　　住宅和公用事業(yè)規(guī)模的光伏發(fā)電都能受益于WBG電源轉(zhuǎn)換器和ESS解決方案的使用。微型逆變器和單相串式逆變器可以受益于GaN的低損耗、高開(kāi)關(guān)性能，從而大大提高功率密度并簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。用于公用事業(yè)的大功率混合逆變器和三相中央逆變器也可以受益于SiC器件，這些器件在功率損耗、高溫性能和功率密度方面優(yōu)于硅基器件。