100kW碳化硅三相并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

文章來(lái)源：電網(wǎng)技術(shù)

作者：鄧宇杰1，杜燕1，曾磊磊2（1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院）

摘要：隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，傳統(tǒng)的化石能源越來(lái)越無(wú)法滿足人們的要求，以太陽(yáng)能為代表的可再生新能源逐漸引起人們的關(guān)注。而并網(wǎng)逆變器作為新能源與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵一環(huán)，其性能對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)都起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器通常采用IGBT器件，但由于該種器件的開關(guān)速度受到電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)影響，使得逆變器的開關(guān)頻率難以提高，這就限制了光伏逆變器效率和功率密度的提升。與傳統(tǒng)的Si器件相比，基于SiC MOSFET器件的耐壓更高、導(dǎo)通電阻更低，并且器件結(jié)電容、門極電荷量更小，所以可以達(dá)到更快的開關(guān)頻率，利于提高效率。文中主要進(jìn)行了碳化硅三相并網(wǎng)逆變器的硬件電路設(shè)計(jì)，包括主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，并在MATLAB上進(jìn)行開環(huán)仿真驗(yàn)證。從損耗分析的角度說(shuō)明了SiC器件相比于Si器件的優(yōu)勢(shì)，得出了SiC器件在相同損耗下的開關(guān)頻率更高的特點(diǎn)。

0引言

根據(jù)“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃可知，在“十三五”期間，我國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)總量就達(dá)到了2.5億kWp。而“十四五”時(shí)期是為力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和打好基礎(chǔ)的關(guān)鍵時(shí)期，加快能源系統(tǒng)調(diào)整以適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展，推動(dòng)形成綠色發(fā)展方式和生活方式。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的潛力遠(yuǎn)不止于此，仍然大有可為。

并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的連接中起著不可或缺的作用。為保證整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的性能也有了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。因此，在光伏并網(wǎng)逆變器基礎(chǔ)趨向成熟的同時(shí)，開始要求其擁有更高的效率、更高的功率密度。

人們對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器的早期應(yīng)用選擇的是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor，IGBT）或者是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Met‐al Oxide Semiconductor Feild Effect Transistor，MOSFET）。作為傳統(tǒng)的晶體管，他們的使用場(chǎng)合隨著技術(shù)的更新迭代以及自身的局限性變得越來(lái)越少。同時(shí)，電力電子裝置在當(dāng)今的發(fā)展潮流中有著更高的要求，帶隙能量、熱導(dǎo)率及電子漂移等物理特性成為制約電力電子器件的主要因素。倘若無(wú)法滿足“輕小快”等各類要求，此類裝置終將會(huì)被時(shí)代所淘汰。最常規(guī)的Si MOSFET器件，其開關(guān)速度快，但是這種非高耐壓裝置并不適用于高電壓大電流的環(huán)境。而由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，另一種IGBT導(dǎo)通壓降很小，因此能夠勝任Si MOSFET不適用的場(chǎng)合。然而與之相反的是，IGBT開關(guān)頻率最高僅為Si MOSFET的三分之一，開關(guān)速度更慢，實(shí)際應(yīng)用開關(guān)頻率僅為10 kHz~20 kHz左右。然而常見(jiàn)的電網(wǎng)往往是高壓電，只能考慮開關(guān)頻率較低的IGBT器件，這就造成了逆變器功率低下的問(wèn)題。正是由于這些器件材料的局限性，導(dǎo)致光伏逆變器的性能很難在不變換器件的前提下獲得提升。因此，新型寬禁帶半導(dǎo)體器件就成為了重要的突破口，例如目前主流的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等器件。而對(duì)于這種新型材料的半導(dǎo)體器件例如碳化硅器件，其主要優(yōu)勢(shì)就在于：

1）SiC材料的臨界擊穿強(qiáng)度約為Si的10倍，這說(shuō)明了SiC材料的耐壓更高。

2）SiC MOSFET的開關(guān)過(guò)程中不存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以這比Si IGBT的開關(guān)速度更快，更適用于高頻場(chǎng)合。

3）SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻比更小，這也就意味著損耗更低，可以提高效率。

4）由于SiC材質(zhì)具有較高的熱傳導(dǎo)性能，因此可以有效地減小其體積和質(zhì)量，進(jìn)而增加其功率密度。

1主電路設(shè)計(jì)

1.1拓?fù)溥x型

在文中的設(shè)計(jì)中，逆變器主電路采用的是三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。濾波器采用的是LCL型濾波器。阻尼方式采用電容支路串聯(lián)電阻的無(wú)源阻尼方案實(shí)現(xiàn)對(duì)LCL濾波器諧振的抑制，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定起到了很好的作用。

三相并網(wǎng)逆變器的工作條件如表1所示。由此展開對(duì)100 kW碳化硅三相光伏并網(wǎng)逆變器硬件電路的設(shè)計(jì)。

1.2開關(guān)管設(shè)計(jì)

額定功率為100 kW，根據(jù)電壓有效值U0=690 V算出電流峰值

逆變器開關(guān)管的最高耐壓即為母線電壓Udc=1 500 V，由于選型中需要滿足1.5~2倍的通態(tài)平均電流，故文中選擇GeneSiC Semiconductor公司生產(chǎn)的G2R50MT33K，該 型 號(hào) 的 最 高 耐 壓 為3 300 V，25℃條件下額定工作電流101 A，100℃下額定工作電流67 A，滿足要求。

1.3濾波器設(shè)計(jì)

1）橋臂側(cè)電感L對(duì)于橋臂側(cè)電感上的電壓最大值

故γ可調(diào)節(jié)LCL濾波器衰減比列，太小的γ會(huì)使衰減效果變差，太大的γ會(huì)使成本增加，工程上一般取γ≤ 0.05，在設(shè)計(jì)時(shí)，可計(jì)算得到網(wǎng)側(cè)電感值。然后再驗(yàn)證總電感值以及LCL諧振頻率是否滿足要求，如果不滿足要求需要重新選擇衰減比例或者濾波電容的值計(jì)算，直到滿足要求為止。

在文中設(shè)計(jì)中，取γ= 0.2，可計(jì)算得：

故設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)電感為40μH。

3）濾波電容Cf

工程上通常要求電容產(chǎn)生的無(wú)功功率不超過(guò)5%的系統(tǒng)額定功率，故有

5）無(wú)源阻尼電阻Rd

根據(jù)前文所述，文中采用的阻尼策略是電容支路串聯(lián)電阻的無(wú)源阻尼法，所以要進(jìn)行阻尼電阻的設(shè)計(jì)。而阻尼電阻Rd的結(jié)構(gòu)，則必須兼顧系統(tǒng)阻尼與損失。

在LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)中，阻尼電阻的取值一 般 不 超 過(guò) 諧 振 角 頻 率 處 濾 波 電 容Cf容 抗 的1/3，即

2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

由GeneSiC Semiconductor器件手冊(cè)得知，SiCMOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電荷QG為256 nC，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)頻率為50 kHz，驅(qū)動(dòng)正向電壓為+15 V，驅(qū)動(dòng)負(fù)向電壓為-5 V時(shí)，理論計(jì)算的驅(qū)動(dòng)功率為：

其中，ΔVGS是驅(qū)動(dòng)正向電壓和負(fù)向電壓差值，QG為柵極電荷，fs為開關(guān)頻率。故選擇6路QA01C電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具有20 V/-4 V兩路輸出，可以很好地提高開通和關(guān)斷能量。

2.2驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)

基于碳化硅逆變器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)一般有兩種隔離方式：光耦隔離和磁隔離。光耦隔離的基本原理是利用光作為介質(zhì)，將輸入和輸出信號(hào)分離開來(lái)。這種方法不僅節(jié)約了成本，提高了傳輸效率，還提高了對(duì)EMI的抗干擾能力。磁絕緣利用變壓器將輸入和輸出信號(hào)分離，這種隔離方式雖然傳輸速率較高，但是抵抗電磁干擾能力弱，而且在高頻環(huán)境下易出現(xiàn)變壓器磁飽和現(xiàn)象。

在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)該提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)該電流不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致器件開關(guān)過(guò)程延時(shí)，從而使得開關(guān)過(guò)程的損耗增加。因此，根據(jù)式計(jì)算出開通過(guò)程需要的平均驅(qū)動(dòng)電流Ig為：

故平均驅(qū)動(dòng)電流為3.04 A，因此從隔離方式、驅(qū)動(dòng)電流兩個(gè)方面考慮后選擇Infineon公司生產(chǎn)的SiCMOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器1EDC60I12AHXUMA1，該驅(qū)動(dòng)芯片采用Infineon特有的無(wú)鐵芯變壓器技術(shù)，最高能夠達(dá)到3000 V的隔離電壓等級(jí)，同時(shí)該驅(qū)動(dòng)芯片最高可以輸出10 A的峰值驅(qū)動(dòng)電流，能夠驅(qū)動(dòng)SiCMOSFET快速動(dòng)作。

2.3驅(qū)動(dòng)電路原理

首先對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片1EDC60I12AHXUMA1做簡(jiǎn)單介紹，該驅(qū)動(dòng)芯片采用PG-DSO-8-59封裝形式，邏輯輸入引腳支持3~15 V的寬電壓范圍，可以直接連接到DSP或者其他微處理器的輸出引腳。芯片的邏輯輸入引腳，驅(qū)動(dòng)輸出引腳都具有欠壓鎖定（UVLO）功能，可以確保更可靠的開關(guān)動(dòng)作。1EDC60I12AHX-UMA1的引腳定義如表2所示。

驅(qū)動(dòng)芯片1EDC60I12AHXUMA1的邏輯信號(hào)側(cè)電源VCC1具有較寬的工作電壓范圍，在3.3~15V之間。2、3個(gè)腳均可用作PWM信號(hào)的輸入端，當(dāng)PWM信號(hào)采用IN+管腳時(shí)，IN-應(yīng)該與低電平相連，這時(shí)IN+是高電平，輸出是高，IN+是低壓，而輸出是低壓，而驅(qū)動(dòng)是低壓。如果將IN-管腳用作PWM信號(hào)的輸入，則IN+應(yīng)該被連接至高電平，在該情況下IN-是高電平，而驅(qū)動(dòng)輸出是低電平，IN-是低電平，而驅(qū)動(dòng)是高電平，從而實(shí)現(xiàn)低通斷邏輯。通過(guò)這兩個(gè)引腳的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)硬件過(guò)流保護(hù)。

如圖2所示，左側(cè)為DSP的PWM和硬件的過(guò)電流保護(hù)。在高頻率切換時(shí)，系統(tǒng)的電磁干擾較大，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生較大的影響，為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行抗干擾。PWM信號(hào)首先通過(guò)三極管，這不僅可以改善PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)性能，還可以降低DSP直接輸入的驅(qū)動(dòng)電流。而三極管是一種電流驅(qū)動(dòng)的裝置，其電流信號(hào)的抗干性要高于電壓信號(hào)。通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)電路，將PWM信號(hào)輸入到施密特觸發(fā)反向器中，施密特觸發(fā)器具有正、負(fù)兩種閾值電壓，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形濾波，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。最終，PWM信號(hào)與驅(qū)動(dòng)芯片IN+管腳相連接。通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)電路，硬件過(guò)流保護(hù)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)晶片IN-插頭相連接。通常，硬件的過(guò)流保護(hù)信號(hào)是高電平的，三極管是開通的，IN-是接地的。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)，保護(hù)信號(hào)跳到低電平，三極管關(guān)閉，IN-引腳與高電平相連，這時(shí)，無(wú)論IN+輸入是高還是低，驅(qū)動(dòng)芯片的輸出均處于低電平狀態(tài)，從而使該裝置能夠達(dá)到過(guò)電流保護(hù)的作用。

3 MATLAB開環(huán)仿真

為了驗(yàn)證是否可以輸出滿足并網(wǎng)要求的并網(wǎng)電流，以及之前設(shè)計(jì)的LCL型濾波器的參數(shù)是否可以滿足濾波要求，故需要在MATLAB中進(jìn)行開環(huán)仿真驗(yàn)證。

3.1仿真模型

通過(guò)之前的設(shè)計(jì)分析，搭建模型。仿真模型主要有直流電源輸入模塊、并網(wǎng)逆變器模塊、SPWM發(fā)生器模塊、具有濾波功能的LCL濾波器模塊，最后再接入三相交流電源形成模型，如圖3所示。對(duì)應(yīng)其中的參數(shù)如表3。

3.2結(jié)果分析

該次實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河^察LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理。

通過(guò)前文搭建的模型，輸出功率為100 kW，輸出電壓為690 V，計(jì)算可以得出輸出電流峰值為68 A，電流波形如圖4所示。

工程上一般來(lái)說(shuō)THD≤5%，如圖5可以看出THD=0.5%<5%，所以滿足條件。

根據(jù)圖4和圖5，可以得到以下結(jié)論：

1）直流母線電壓可以輸出滿足要求的并網(wǎng)電流；

2）設(shè)計(jì)的LCL濾波器參數(shù)可以達(dá)到很好的濾波效果。

4損耗分析

功率半導(dǎo)體器件多數(shù)工作于不斷開關(guān)過(guò)程，在導(dǎo)通過(guò)程以及開關(guān)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生損耗。過(guò)大的損耗不僅會(huì)降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還會(huì)造成大量的發(fā)熱，造成溫度過(guò)高，嚴(yán)重地影響到設(shè)備的運(yùn)行。因此，開關(guān)器損耗問(wèn)題成為目前國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)重要課題。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、壽命判斷、選擇合適的散熱系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的可靠性方面，均具有十分重要的意義。MOSFET的功率損耗主要分為導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗。

4.1 MOSFET導(dǎo)通損耗

電力電子器件在通態(tài)下，由于存在一定的通態(tài)電阻，經(jīng)過(guò)電流流通時(shí)，在電阻兩端會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通壓降，從而產(chǎn)生了導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗的大小由流過(guò)器件的電 流 與 導(dǎo) 通 壓 降 的 乘 積 大 小 所 決 定 ，其 計(jì) 算 公式為：

4.2 MOSFET開關(guān)損耗

在電力電子電路運(yùn)行過(guò)程時(shí)，總是伴隨著相應(yīng)的電力電子器件的開啟和關(guān)閉，從而導(dǎo)致了開關(guān)損耗的發(fā)生。隨著新設(shè)備、新技術(shù)的發(fā)展，以及電力電子學(xué)逐漸走向高頻率，開關(guān)損耗是決定設(shè)備整體效能的關(guān)鍵因素。

開關(guān)損耗是在MOSFET的開斷過(guò)程中，因MOSFET的工作電壓、電流都會(huì)對(duì)MOSFET施加影響，從而導(dǎo)致MOSFET的開關(guān)重疊時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而引起器件的損耗。開關(guān)損耗Psw的計(jì)算如下：

在相同的損耗下可以明顯看出SiC MOSFET的開關(guān)頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si IGBT的開關(guān)頻率，在高頻特性一方面可以減小諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，另一方面也可以使系統(tǒng)中的電感和電容等元器件的體積縮小，這使得系統(tǒng)的整體體積相比低頻有了質(zhì)的飛躍，帶來(lái)了更高的功率密度，同時(shí)對(duì)于相同的開關(guān)頻率下SiCMOSFET器件損耗比Si IGBT顯著降低，可以大大緩解散熱問(wèn)題。

5結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了100 kW碳化硅三相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件電路，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1）進(jìn)行主電路拓?fù)涞倪x取以及主要參數(shù)的設(shè)計(jì)，包括直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)、橋臂側(cè)電感、網(wǎng)側(cè)電感、開關(guān)管的設(shè)計(jì)、濾波電容的設(shè)計(jì)以及阻尼電阻的設(shè)計(jì)。

2）設(shè)計(jì)了SiCMOSFET的驅(qū)動(dòng)電路并對(duì)采用的驅(qū)動(dòng)芯片、驅(qū)動(dòng)電路原理做了說(shuō)明。

3）在MTLAB軟件中進(jìn)行開環(huán)仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證了LCl濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

4）對(duì)比Si IGBT進(jìn)行了損耗分析，得出結(jié)論：

①在相同的開關(guān)頻率下，SiC MOSFET器件損耗比Si IGBT顯著降低，可以大大緩解散熱問(wèn)題。

②在相同開關(guān)頻率下，SiC MOSFET的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si IGBT，不但可以減少諧波的影響，還可以減小電感和電容等元器件的體積，帶來(lái)更高的功率密度。

審核編輯：湯梓紅