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是什么使SiC成為組串式逆變器的完美解決方案

發(fā)布時間:2023-02-09 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】與硅技術(shù)相比,SiC MOSFET在光伏和儲能應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢,它解決了能效與成本的迫切需求,特別是在需要雙向功率轉(zhuǎn)換的時候。


易于安裝是大功率光伏組串式逆變器的關(guān)鍵特征之一。如果只需要兩個工人來搬運和安裝該系統(tǒng),將會非常利于運維。因此,尺寸和重量非常重要。最新一代的碳化硅半導(dǎo)體使電力轉(zhuǎn)換效率大幅提高。這不僅節(jié)省了能源,而且使設(shè)備更小、更輕,相關(guān)的資本、安裝和維護成本更低。


關(guān)鍵的應(yīng)用要求及其挑戰(zhàn)。


在光伏和儲能系統(tǒng)中,1500V的高系統(tǒng)電壓要求宇宙輻射引起的故障率非常低,同時要求功率器件具有更高的系統(tǒng)效率。由于這些矛盾的要求,ANPC多電平拓撲結(jié)構(gòu)是目前首選的解決方案,因為其在整個功率因數(shù)運行范圍內(nèi)的效率最高(圖1)。這樣的逆變器完美適用于太陽能和電池存儲應(yīng)用。


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圖1:1500V光伏逆變器的兩種最常見拓撲結(jié)構(gòu)的比較


適應(yīng)ANPC拓撲結(jié)構(gòu)的一種具有成本效益的方法是將英飛凌的1200V CoolSiC? MOSFET與TRENCHSTOP? IGBT7技術(shù)優(yōu)化組合。圖2顯示了參考方案中的一個橋臂,其中T1、T4、T5和T6由硅基IGBT和相應(yīng)的硅續(xù)流二極管(FWD)組成。晶體管M2和M3由帶有體二極管的CoolSiC? MOSFET組成。通過使用圖2中的調(diào)制方案[1]和[2],IGBT在工頻50/60Hz的情況下開關(guān)。因此,IGBT被優(yōu)化為具有較低的導(dǎo)通損耗。這樣,開關(guān)損耗只發(fā)生在快速和高效的SiC MOSFET上。因此,SiC器件的數(shù)量減少到最低限度,實現(xiàn)了最佳的成本-性能比。


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圖2:Easy 3B功率模塊中的ANPC拓撲結(jié)構(gòu)及其調(diào)制方案


與IGBT逆變器方案相比,尺寸相當?shù)腟iC MOSFET模塊也可以處理更多的功率。例如,一個工作頻率為16kHz的英飛凌950V EasyPACK? 3B IGBT模塊可以被兩個較小的EasyPACK? 2B尺寸1200V CoolSiC?模塊取代,工作頻率為32 kHz。隨著功率處理能力增加32%,達到139千伏安,這個解決方案的功率轉(zhuǎn)換損失幾乎降低了5%。這進一步將逆變器的效率提高了0.3%——這是一場真正的"值得信賴的革命!"


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圖3:在16kHz下開關(guān)的950V EasyPACK? 3B IGBT解決方案與在32kHz下開關(guān)的EasyPACK? 2B CoolSiC? MOSFET解決方案的比較


參考設(shè)計證明了其優(yōu)點。


為了證明在光伏組串和儲能逆變器中使用SiC MOSFET的顯著優(yōu)勢,英飛凌已經(jīng)為額定功率高達300kW的1500 VDC系統(tǒng)開發(fā)了一個模塊化參考設(shè)計。該設(shè)計采用了新穎的雙向3電平ANPC拓撲結(jié)構(gòu),在兩個方向上的效率接近99%,開關(guān)頻率高達96kHz(交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu))。對于包括散熱器和所有控制在內(nèi)的完整解決方案來說,功率密度大于5千瓦/公斤,在理想的80公斤最大機柜重量中,可輸出300千瓦功率。


通過使用SiC可以很容易地從整體效率的提高中計算出能源使用和成本節(jié)約;例如,與超級結(jié)Si MOSFET解決方案相比,1200V CoolSiC? MOSFET可以將ESS安裝中的損耗減半,并提供通常2%的額外能量和運行時間。對于類似的性能,SiC MOSFET的單位成本通常高于IGBT。但在系統(tǒng)層面上,硬件成本會大大降低,因為更高的開關(guān)頻率允許使用更小、更便宜的磁性元件和散熱器。例如,在1500V的光伏組串逆變器中,每千瓦的成本可望至少節(jié)省5-10%(圖4)。


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圖4:與IGBT相比,使用SiC MOSFET的組串逆變器的系統(tǒng)成本明顯降低


作者:sureshthangavel

翻譯:趙佳



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