碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体正在为下一代光伏(PV)和储能系统(ESS)提供更高效率、更小尺寸的电源转换解决方案。在本文中，我们将重点介绍英飞凌科技和东芝提供的此类产品的示例。
2050年温室气体净零排放气候变化目标正在推动许多国家采用可再生能源生产。光伏电池板效率和可靠性的提高、成本的降低以及政府补贴的结合推动了太阳能发电的显著增长。2022年光伏累计装机容量突破1TW，年内新增容量240GW。这占到2022年新增可再生能源装机容量的三分之二。预计未来几年的累计年增长率约为20%。据估计，到2050年，风能和太阳能将占所有能源产量的约三分之二。
对于住宅用途，光伏输出通常低于20kW，最大直流电压为600V，典型单相输出为110/230VAC。目前，公用事业规模的光伏发电的额定直流电压通常为1,000V。更低的欧姆损耗以及由此提高的端到端效率，加上更少的并联串来降低安装成本，正在推动将该电压从1,000V提高到1,500V。并网公用发电机的功率输出可以从几百千瓦到几兆瓦。ESS系统相应扩展，典型的住宅壁挂式装置功率范围为3kW至20kW，电池电压升至450V范围。商业和公用事业ESS装置的范围可达兆瓦级别。
连接ESS的方法可以是交流耦合(其中电池通过DC/DC和DC/AC转换的组合，然后并入电网)或直流耦合(其中直流光伏发电电源通过DC/DC转换器连接到电池)。这种具有内置ESS功能的混合逆变器可以避免不必要的电源转换。这些转换器必须是双向的，以便根据供应和需求来获取和吸收电池能量。
随着电动汽车的日益普及，电动汽车电池可以用作车到户配置中的能源。在此，电动汽车电池可以通过双向DC/DC转换器直流耦合到光伏混合逆变器，也可以通过板载或板外双向DC/AC逆变器交流耦合到电网。
这里使用了多种转换器设计，每种设计都有自己的优点。CLLC和双有源电桥(DAB)是双向隔离式DC/DC转换器的常见拓扑，其中低压(例如48V的电池或光伏电源)与高压直流输出(为逆变器供电，例如400V)之间需要隔离。当没有低电压时，可以使用非隔离升压DC/DC逆变器，例如输出600V的较大的串式太阳能系统的输出。
无变压器双向DC/AC转换器设计——例如高效可靠的逆变器概念(HERIC)或多电平有源中性点转换器(ANPC)——由于提高了效率并降低了系统成本、尺寸和重量，因此越来越受欢迎。HERIC逆变器可用于单相串式逆变器，输出功率可达几千瓦，而ANPC可用于输出功率从数百千瓦到数兆瓦的中央逆变器。多电平ANPC允许使用额定电压较低的器件(Vbus÷(n–1)，其中Vbus是全总线电压，n是电平数)，并且还可以减少转换期间的电压转换(dv/dt)，从而减少电磁干扰。
在PV和ESS双向DC/DC和DC/AC转换器设计中，WBG器件比传统Si器件具有许多优势。更高的开关频率可以减小系统尺寸并提高效率。损耗减少可以使冷却要求变得更简单。GaN器件还可以为更简单的交流开关拓扑提供独特的双向功能，从而将器件数量减少4倍。
图1显示了SiC和GaN器件在太阳能和ESS应用中的应用空间。SiC非常适合在更大功率和更高电压领域取代Si器件，器件的额定电压范围为1,200V至3,300V。额定电压为650V或以下的快速开关GaN器件非常适合单个光伏微型逆变器和DC/DC转换器应用。
图1：SiC和GaN在太阳能和ESS系统中的应用空间。(图片来源：英飞凌科技)
如图2所示，英飞凌生产的CoolSiC和CoolGaN器件与传统Si器件相比具有多种优势。SiC改善了随温度变化的RDS(on)特性。GaN HEMT具有较低的输出和栅极电荷(分别为Qoss和Qg)，从而实现最低的开关损耗。GaN的Qoss较低，可用于降低软开关CLLC拓扑中的死区时间并降低RMS系数。
图2：与具有相似电压和RDS(on)额定值的超级结Si MOSFET器件相比，SiC和GaN在导通电阻、输出电荷随漏极电压的变化以及栅极电荷与栅极电压的关系方面的比较。(图片来源：英飞凌科技)
这些优势直接转化为转换器效率的提高。例如，当将56V ESS电池放电到400V总线时，在谐振频率以上运行的DC/DC CLLC转换器可以在正在执行同步整流的次级侧高压开关上实现低得多的反向恢复损耗。DAB转换器初级FET上的米勒栅极电荷(Qgd)会低得多，从而使初级侧FET上的Eoff损耗低得多。
体二极管抗浪涌电流能力远高于器件的标称电流额定值，这可能是SiC MOSFET实现双向功率转换能力的另一个关键优势。基于SiC的转换器的工作频率是类似额定值的Si IGBT的开关频率的几倍，同时仍然具有较小或相当的损耗，从而节省了系统的磁性元件尺寸，进而降低了尺寸和成本。英飞凌的分立CoolSiC器件产品额定电压范围为650V至2,000V，适用于硬开关和谐振开关拓扑。
在PCIM 2023上，东芝推出了具有嵌入式肖特基势垒二极管(SBD)的额定2,200V的SiC MOSFET。该器件封装为双SiC MOSFET模块。该额定电压允许在1,500V光伏应用中使用两电平逆变器。与三电平拓扑相比，它们的开关级更少，因此更小、更轻。该额定电压为2,200V的器件与之前的额定电压为1,700V和3,300V的SiC MOSFET一样，遵循RDS(on)与Vds的关系。
SiC MOSFET在其内置体二极管的正向导通阶段可能会受到基面缺陷增长的影响。这会导致RDS(on)增加和可靠性降低。单极SBD导通有效地避免了这种双极导通阶段，从而提高了可靠性。由于SBD的正向导通电压较低，使用SBD还可以减少转换器中的死区时间损耗。
光伏应用中的问题之一是宇宙射线退化和故障。一项研究表明，地面中子暴露引起的单事件烧毁故障率是VDS/VAVAL比值的函数，其中VDC是器件的额定电压，VAVAL是其雪崩起始电压。对于VDS/VAVAL为0.5或更低的器件，十亿分之一的实时故障率要低得多(＜1)。该比率可以通过外延层/漂移层优化来调整。如图3所示，与1,700V MOSFET相比，这些2,200V SiC MOSFET在白中子辐照(以绿色显示)下的故障率提高了一个数量级。
图3：东芝2,200V SiC MOSFET(以绿色显示)与现有1,700V器件的中子辐照故障率对比。(图片来源：Ogata等人，2023年)
在150℃的全额定VDS下对这些2,200V MOSFET进行的高温反向偏置测试显示，关键直流参数——例如阈值电压Vth、RDS(on)和漏极泄漏——在2,000小时应力间隔内发生了小于5%的变化。
他们对使用1,200V和1,700V Si IGBT(工作频率为3.9kHz)的三电平逆变器与使用这些2,200V SiC MOSFET(工作频率为7.8kHz)的两电平逆变器的开关性能进行了比较。这是在1,200V、200A和125℃的条件下完成的。即使在较高频率下，2,200V转换器的功耗也显著降低了37%。
住宅和公用事业规模的光伏发电都能受益于WBG电源转换器和ESS解决方案的使用。微型逆变器和单相串式逆变器可以受益于GaN的低损耗、高开关性能，从而大大提高功率密度并简化转换器拓扑。用于公用事业的大功率混合逆变器和三相中央逆变器也可以受益于SiC器件，这些器件在功率损耗、高温性能和功率密度方面优于硅基器件。
1Lichtenwalner et al. (2018). “Reliability studies of SiC vertical power MOSFETs.” 2018 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), pp. 2B.2-1–2B.2-6.
2Ogata et al. (2023). “A Novel 2200 V Schottky Barrier Diode-Embedded SiC MOSFET Module.” PCIM Europe 2023; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, pp. 1–6.
（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：WBG Semiconductors for Next-Generation PV & ESS Solutions，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2024年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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