盡管難以精確估計全球太陽能容量，但這一能源來源仍然是所有可再生能源中增長最快的。根據(jù)歐洲太陽能光伏(PV)行業(yè)協(xié)會SolarPower Europe的數(shù)據(jù)，2021年安裝的302GW可再生能源容量中，太陽能占據(jù)了超過50%。

　　戰(zhàn)略研究提供商彭博新能源財經(jīng)(BloombergNEF，BNEF)指出，全球太陽能容量在截至2021年的三年內(nèi)翻了一番，并在4月超過1太瓦。支持各種形式可再生能源廣泛采用的政府間組織國際可再生能源署(IRENA)也同意這一估計，其中中國應(yīng)占近40%。BNEF在一份新報告中還指出，新的安裝容量在今年可能達(dá)到574GW，2025年達(dá)到627GW，2030年達(dá)到880GW。

　　太陽能逆變器類型

　　1.5kV太陽能逆變器系統(tǒng)在大型公用事業(yè)項目中已相當(dāng)普遍，因為它們更高的交流電壓輸出(800V線對線)在相同輸出功率下減少了電流和電纜尺寸，而1kV系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電壓輸出為400V。單個集中式1.5kV太陽能逆變器的功率額定值通常在1MW以上，不需要最大功率點跟蹤(MPPT)的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，這在成本方面相對于1kV系統(tǒng)有優(yōu)勢。

　　MPPT是一種用于在條件變化時最大化能量提取的技術(shù)。這些因素主要是陽光和陰影，但也包括太陽能電池板溫度和負(fù)載電氣特性。通過調(diào)整負(fù)載特性來優(yōu)化系統(tǒng)，以保持功率傳輸?shù)淖罡咝省?/p>

　　今天，1.5kV串聯(lián)逆變器解決方案在集中式系統(tǒng)中越來越受歡迎。串聯(lián)太陽能逆變器是一種PV逆變器，設(shè)計用于連接一個或多個串聯(lián)的PV模塊組，功率范圍從100kW到400kW，并且有多個用于MPPT的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。它的名字來源于將不同的PV模塊端對端連接形成“串聯(lián)”。

　　其中的優(yōu)點包括從單個MPPT中提取更好的能量，單個逆變器單元故障時的停機時間較短，以及更好的控制和監(jiān)控。安森美(onsemi)在2024年2月的APEC會議上提出了一種用于1.5kV太陽能升壓應(yīng)用的優(yōu)化2kV SIC MOSFET功率集成模塊(PIM)，其中最大關(guān)斷電流小于100A。

　　兩級升壓與三級升壓轉(zhuǎn)換器比較

　　圖1顯示了三種升壓拓?fù)洌篴)對稱三級 b)飛行電容三級 c)單端兩級。

圖1

　　雖然兩級拓?fù)滹@然簡單且有吸引力，但飛行電容三級拓?fù)浔葘ΨQ三級變體更受歡迎，因為它允許對低側(cè)和高側(cè)開關(guān)(圖1中的IGBT)進(jìn)行交錯脈寬調(diào)制(PWM)，從而使電感電流的開關(guān)頻率加倍。

　　飛行電容為輸出提供了一個偏移，因此輸出電壓只是電壓級數(shù)的總和或差值。不過，啟動時和管理電壓尖峰時需要額外電路，如二極管或繼電器，用于預(yù)充飛行電容，見圖1(c)中的淺色二極管。

　　半導(dǎo)體解決方案

　　三級升壓轉(zhuǎn)換器最常見的解決方案之一是由1kV和1.2kV的硅基IGBT和SiC二極管組成。在具有20%到30%占空比的1.5kV太陽能逆變器中，最主要的損耗發(fā)生在關(guān)斷時，因為有電流尾現(xiàn)象。相反，使用全SiC MOSFET解決方案可以減少關(guān)斷能量Eoff。

　　表1對比了使用IGBT PIM(NXH600Bl00H4Q2F2S1G)和2kV/20毫歐SiC MOSFET PIM兩級轉(zhuǎn)換器在飛行電容三級轉(zhuǎn)換器中的損耗。假設(shè)MPPT升壓轉(zhuǎn)換器在以下條件下運行：輸入電壓880V，輸出電壓1080V，輸入電流40A，IGBT開關(guān)頻率fsw為16kHz，SiC MOSFET fsw為32kHz，因此相同的紋波電流流經(jīng)130mH電感。如我們所見，IGBT的總Eoff為2 x 52.89 = 105.78W，約為SiC MOSFET的一倍(54.9W)。在總損耗方面，全SiC MOSFET節(jié)省了83.23W，表明其效率提高了0.25%。這種改進(jìn)相當(dāng)于典型12-MPPT太陽能逆變器中減少了近1kW的損耗。

表1

　　功率模塊及熱設(shè)計

　　1.6kV被認(rèn)為是最高的直流母線電壓瞬變，通常由交流電網(wǎng)擾動引起。為此應(yīng)用，SiC MOSFET器件的額定電壓為2kV。107mm x 47mm封裝容納20毫歐SiC MOSFET和50A SiC SBD(兩個25A芯片并聯(lián))。一個安森美Q2封裝中設(shè)計了4個MPPT。基于損耗模擬，一個PIM需要散熱的總損耗為627W，這是通過3mm銅底板和小的結(jié)到散熱器熱阻實現(xiàn)的。

　　在這個凝膠填充的PIM中，直接鍵合銅(DBC)基板的設(shè)計至關(guān)重要，因此Al2O3陶瓷材料可以作為性能和成本之間的良好折衷選擇。

　　應(yīng)通過分離芯片來最小化熱耦合效應(yīng)。然而，減少換向環(huán)路電感(與開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的電路相關(guān)的寄生電感)對于減少關(guān)斷損耗和電壓尖峰也很重要，但這個目標(biāo)應(yīng)通過將芯片盡可能靠近來實現(xiàn)。解決這一困境的一個方法是反向電流路徑，由于磁消除效應(yīng)有助于減少環(huán)路電感。也采用了開爾文源引腳以提高開關(guān)速度。

　　結(jié)溫Tj是PIM設(shè)計中最大的挑戰(zhàn)之一。盡管SiC器件本身可以在200°C以上良好運行，但安全考慮要求工作溫度不超過175°C。不過，考慮到開關(guān)期間的溫度波動、芯片中心和角落的溫度差異等，需要一個較低的值(150°C)。

　　還強烈建議留出一定的裕度，因此最終結(jié)溫必須保持在120°C到135°C之間。典型的SiC MOSFET損耗模擬使用有限元分析(FAE)給出單個20毫歐SiC MOSFET的最高結(jié)溫為158°C，假設(shè)散熱器為在90°C下運行的無限冷卻板。這個溫度超過了最大結(jié)溫，因此必須降低。最經(jīng)濟(jì)的方式是用兩個較小的并聯(lián)芯片(每個40毫歐，總芯片面積相等)代替單個20毫歐的SiC芯片。這種安排增加了垂直方向上的等效熱散面積，最終使Tj從158°C降至137°C，確保了合理的PIM壽命。

　　成本分析與結(jié)論

　　雖然SiC組件固有地比硅IGBT更昂貴，但關(guān)鍵是系統(tǒng)成本，對于2kV SiC解決方案而言更低。假設(shè)12個MPPT，每個MPPT控制40A的面板輸入電流。假設(shè)具有3個MPPT的IGBT基PIM NXI-1600BlOOI-14Q2F2SlG的成本為基線(100%)，而2kV SiC MOSFET升壓PIM的成本高出50%。可以用四個IGBT PIM或三個SiC PIM實現(xiàn)12個MPPT。

　　對于每個MPPT，兩種解決方案之間的價格差距僅為(3 x 150% - 4 x 100%)/12 = 4.15%。我們還可以假設(shè)飛行電容IGBT解決方案的一個額外柵極驅(qū)動器相當(dāng)于1%的額外成本。SiC解決方案在熱效率上更高，考慮到其減少的損耗，我們可以假設(shè)2級SiC選項的散熱器成本降低1%。

　　此外，飛行電容拓?fù)湫枰~外的電容器、更多的PCB硬件和額外的拓?fù)鋵＠杀竞涂刂瀑Y源，3%的更高成本是合理的。基于上述計算，實際SiC解決方案的成本變?yōu)?.15% -(1% + 1% + 3%)= -0.85%。換句話說，2kV SiC太陽能轉(zhuǎn)換器比基于IGBT的轉(zhuǎn)換器便宜15%。

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