是什么使SiC成为组串式逆变器的完美解决方案
作者简介
作者：sureshthangavel
翻译：赵佳
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）。
图4：与igbt相比，使用sic mosfet的组串逆变器的系统成本明显降低
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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！
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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）。
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