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17
Sep . 2025
PCIM2025论文摘要 | 太阳能系统的高效率碳化硅 MOSFET 解决方案
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*本论文摘要由PCIM官方授权发布
内容摘要
随着新能源技术的不断发展，系统对电力电子变流器的要求也越来越高。高效率、高可靠性和高功率密度越来越受到设计人员的重视，并可能成为当前和下一代变换器的标准。
碳化硅（SiC）材料因其固有的宽禁带特性和高热导率，可在1kV系统中实现更高的效率和更好的热性能。
本文将介绍当前光伏（PV）系统的主流架构以及系统不同部分常用的电路拓扑结构。根据不同拓扑结构的特点，将介绍使用SiC MOSFET的解决方案，并与IGBT解决方案进行比较，还将总结在光伏系统中使用新一代SiC MOSFET的优势。
图1. 混合太阳能系统的结构
太阳能系统的高效SiC MOSFET解决方案
1、太阳能系统结构
光伏发电系统具有不同的功率等级和应用场景，因此总线电压等级和结构也各不相同。以工商业光伏系统为例，如图1所示，该系统可分为三个部分：光伏侧、电池侧和逆变器侧。
最大功率点跟踪（MPPT）电路可有效地将太阳能耦合到直流母线。蓄电池侧使用DC/DC电路使蓄电池电压与总线电压相匹配，并控制蓄电池的恒流或恒压充电/放电。这部分电路可以是简单的双向降压/升压电路，也可以是带升压/降压电路的隔离DCX电路，具体取决于电池的配置。
逆变器电路通常采用三电平结构。但近年来，随着高压器件的日益普及，两电平逆变器电路也成为研究重点。这种混合型光伏系统在商业和工业场景中越来越受欢迎，因为它可以利用峰谷价差创造收益。在日照条件允许的情况下，还可以利用商业和工业场景中的闲置区域来增加绿色电力的比例。
图2. 升压电路
2、不同拓扑结构的特点
根据拓扑结构的不同，SiC MOS的应用也具有不同的特点。它们大致可分为两类：软开关拓扑和硬开关拓扑。硬开关拓扑结构在光伏系统中很常见，如图2所示的MPPT侧升压电路、电池侧降压/升压电路以及三电平逆变器电路。
由于SiC MOSFET 的开关损耗低，因此在硬开关电路中，尤其是在高开关频率下，其性能比IGBT更好。
图3. 双向降压/升压电路
不过，也有一个例外，那就是电池侧的降压/升压电路，如图3所示。这是一个半桥结构，无论处于充电还是放电模式，其中一个MOSFET始终处于同步整流模式，即始终在零电压时开启。由于存在双向功率流，两个MOSFET在一种工作状态下都会出现零电压开关（ZVS）。但在另一种模式下会出现硬开关。因此，在设计该电路时，我们需要考虑两种工作条件下的最坏情况。
图4. 低压电池的CLLC
在软开关电路中，如图4（低压电池组中DCX电路的高压侧），优化设计可使MOSFET工作在零电压开关(ZVS)状态，几乎没有开关损耗，只有导通损耗。由于MOSFET工作在谐振频率点，关断电流也非常小，因此传导损耗占总损耗的很大比例。然而，由于SiC MOSFET的导通电阻随温度升高的速度高于IGBT的饱和压降，而且在额定电流相近的情况下，SiC MOSFET的芯片尺寸通常小于IGBT，因此在这种工作条件下，SiC相对于IGBT的优势并不明显，甚至可以说不存在。
3、用于太阳能系统的 英飞凌CoolSiC™ G2解决方案
图5. CoolSiC™ G2的产品组合
该部分将为太阳能系统中不同额定功率的不同部分提供SiC解决方案。英飞凌的CoolSiC™ G2不仅改进了芯片技术，还提高了封装技术。目前最佳的优点值（FOM）使CoolSiC™ G2能够在轻负载和硬开关条件下实现最高效率。由于采用了扩散焊接技术（.XT），与上一代产品相比，类似等级的G2 SiC器件的热阻降低了15%以上。CoolSiC™的Vgsth和Rdson分布较窄，更易于SiC并联。此外，这一代SiC器件可在200°C的最高结温下工作100小时。系统设计灵活性的提高，使我们能够应对过流或短路导致的过热等极端情况，而无需升级器件额定值。这使得设计高效、可靠和低成本的光伏（PV）系统成为可能。
与 IGBT 解决方案的比较
本节将比较采用CoolSiC™ G2和IGBT H7的太阳能系统的性能，包括损耗、热和系统优势。同时，还将介绍根据额定功率基准IGBT对SiC的参考选择。
结论
针对光伏（PV）系统各部分的不同电路特性，使用合适的1200V CoolSiC™ G2器件可实现高效、可靠的光伏系统解决方案。与绝缘栅双极晶体管(IGBT)解决方案相比，整体损耗更低，体积更小。此外，由于最高结温为200°C，系统设计可以更加灵活，无需为实现过载热性能而增加成本。
参考资料
[1] B.Klobucar 和 Z. Yuan："用于高速主轴和伺服驱动系统的 1200V 分立 CoolSiC(TM) MOSFET 与沟槽截止高速 IGBT 的比较"，德国 2020 年 PCIM 欧洲数字日，第 1-6 页。
[2] J.Cerezo, B. Klobucar and L. Engl, "Enhancing silicon carbide CoolSiC(TM) MOSFET 1200 V performance with improved D(exp 2)Pak package using diffusion-soldering die attach," PCIM Europe digital days 2020, Germany, pp.
[3] J.Dong、W. Hua 和 L. Chen，"并联式碳化硅 MOSFET 的电流共享问题"，PCIM Asia 2024，中国深圳，2024 年，第 285-291 页，doi: 10.30420/566414051。
文章来源：英飞凌工业半导体