SiC串式逆变器的解决方案

2023-01-30 375次

与硅技术相比，SiC MOSFET在光伏和储能应用中具有明显的优势，它解决了能效与成本的迫切需求，特别是在需要双向功率转换的时候。

易于安装是大功率光伏组串式逆变器的关键特征之一。如果只需要两个工人来搬运和安装该系统，将会非常利于运维。因此，尺寸和重量非常重要。最新一代的碳化硅半导体使电力转换效率大幅提高。这不仅节省了能源，而且使设备更小、更轻，相关的资本、安装和维护成本更低。

关键的应用要求及其挑战

在光伏和储能系统中，1500V的高系统电压要求宇宙辐射引起的故障率非常低，同时要求功率器件具有更高的系统效率。由于这些矛盾的要求，ANPC多电平拓扑结构是目前首选的解决方案，因为其在整个功率因数运行范围内的效率最高(图1)。这样的逆变器完美适用于太阳能和电池存储应用。

图1：1500V光伏逆变器的两种最常见拓扑结构的比较

适应ANPC拓扑结构的一种具有成本效益的方法是将英飞凌的1200V CoolSiC™ MOSFET与TRENCHSTOP™ IGBT7技术优化组合。图2显示了参考方案中的一个桥臂，其中T1、T4、T5和T6由硅基IGBT和相应的硅续流二极管(FWD)组成。晶体管M2和M3由带有体二极管的CoolSiC™ MOSFET组成。通过使用图2中的调制方案[1]和[2]，IGBT在工频50/60Hz的情况下开关。因此，IGBT被优化为具有较低的导通损耗。这样，开关损耗只发生在快速和高效的SiC MOSFET上。因此，SiC器件的数量减少到最低限度，实现了最佳的成本-性能比。

图2：Easy 3B功率模块中的ANPC拓扑结构及其调制方案

与IGBT逆变器方案相比，尺寸相当的SiC MOSFET模块也可以处理更多的功率。例如，一个工作频率为16kHz的英飞凌950V EasyPACK™ 3B IGBT模块可以被两个较小的EasyPACK™ 2B尺寸1200V CoolSiC™模块取代，工作频率为32 kHz。随着功率处理能力增加32%，达到139千伏安，这个解决方案的功率转换损失几乎降低了5%。这进一步将逆变器的效率提高了0.3%——这是一场真正的"值得信赖的革命!"

图3：在16kHz下开关的950V EasyPACK™ 3B IGBT解决方案与在32kHz下开关的EasyPACK™ 2B CoolSiC™ MOSFET解决方案的比较

参考设计证明了其优点

为了证明在光伏组串和储能逆变器中使用SiC MOSFET的显著优势，英飞凌已经为额定功率高达300kW的1500 VDC系统开发了一个模块化参考设计。该设计采用了新颖的双向3电平ANPC拓扑结构，在两个方向上的效率接近99%，开关频率高达96kHz(交错并联结构)。对于包括散热器和所有控制在内的完整解决方案来说，功率密度大于5千瓦/公斤，在理想的80公斤最大机柜重量中，可输出300千瓦功率。

通过使用SiC可以很容易地从整体效率的提高中计算出能源使用和成本节约;例如，与超级结Si MOSFET解决方案相比，1200V CoolSiC™ MOSFET可以将ESS安装中的损耗减半，并提供通常2%的额外能量和运行时间。对于类似的性能，SiC MOSFET的单位成本通常高于IGBT。但在系统层面上，硬件成本会大大降低，因为更高的开关频率允许使用更小、更便宜的磁性元件和散热器。例如，在1500V的光伏组串逆变器中，每千瓦的成本可望至少节省5-10%(图4)。