全球范围内减少碳排放的需求日益迫切，导致太阳能光伏（PV）系统等可再生能源的普及程度快速飙升。这些应用要求重量轻、效率高、功率密度高的逆变器，并能够与电网互连。传统上，绝缘栅双极晶体管（IGBT）是三相和单相（≤10kW）太阳能逆变器的首选技术，而硅超结（SJ）MOSFET（600/650V）也可用于一些单相应用。但IGBT和硅超结 MOSFET都限制了太阳能逆变器所能达到的效率和功率密度。最近，两种替代方法开始引人注目，第一种方法是用碳化硅（SiC）MOSFET等宽带隙器件取代IGBT和硅超结MOSFET，而第二种方法则可以继续使用较低电压硅MOSFET的多电平拓扑取代传统电路拓扑。在本文中，我们将讨论两种方法的相对优点，并展示如何在太阳能逆变器设计中使用这些技术来实现高达99%的效率水平。
由于IGBT具有高开关损耗，只有在开关频率低于20kHz的应用中使用它才有意义。超结MOSFET具有高反向恢复电荷（Qrr）、慢速体二极管和相对较高的RDS(on)，对其在逆变器应用中的运行具有一定负面影响。由于这些缺点限制，在典型的单相太阳能逆变器设计中使用这些器件可实现的工作效率和功率密度最高仅为98%。而另一方面，SiC MOSFET具有快速体二极管，以及非常低的Qrr，并且具备比IGBT更低的开关损耗。更方便地是，以英飞凌的650V CoolSiC™MOSFET可以方便地取代IGBT和硅超结MOSFET，而无需修改逆变器的电路拓扑。SiC MOSFET可以在更高频率下开关，这意味着可以使用体积更小的滤波器组件（如电感器、电容器），因而具有减小逆变器外壳尺寸和重量的好处，并且随着功率水平提高而能够节省更多成本。SiC MOSFET也具有比超结MOSFET低很多的开关损耗，图1所示为在相同工作条件，针对相同的RDS(on)，采用Infineon 650V CoolSiC™ MOSFET如何能够提供比领先超结MOSFET（Infineon的600 V CoolMOS™CFD7）更高的品质因数（figures of merit）：漏极-源极电荷（Qoss）、反向恢复电荷和栅极电荷（Qg）。
图1：SiC和超结MOSFET在相同工作条件和RDS(on)下的品质因数比较。
图2所示为英飞凌三款同类最佳开关的传导损耗，包括IKW30N65H5 650V TRENCHTOP™5 IGBT、IPW60R031CFD7 600V CoolMOS™CFD7硅超结MOSFET和IMW65R027M1H 650V CoolSiC™MOSFET，结温分别为25°C（左）和125°C（右）。很明显，虽然IGBT的传导损耗在25°C时明显高于其他器件，但随着结温升高到125°C，损耗不会进一步增加。我们还可以看到，超结MOSFET在125°C时的传导损耗是25°C时的两倍。最后，SiC MOSFET的损耗在整个温度范围内仅增加约20%，这使其在高电流、高温应用中比硅MOSFET具有明显优势。
图2：三种器件在25°C（左）和125°C（右）下的传导损耗比较。
采用650V IGBT和650V 超结MOSFET器件的Heric、H6、H6.5等拓扑架构通常用于传统的单相太阳能逆变器设计。然而，一种基于中等电压MOSFET（150～200V）的新型多电平拓扑架构已成为潜在的替代方案（参见图3）。
图3：采用多电平拓扑替换两级拓扑。
与传统方法相比，多电平拓扑可以采用体积更小的电感和电容器，从而能够实现更高功率密度设计，同时需要更少冷却。此外，虽然采用多电平方法需要使用更多的中压MOSFET，但由于功率损耗而产生的热量分布在更多器件上，因而可简化热管理，并有可能实现不需要风扇或散热器的逆变器设计。在单相串式逆变器（≥3kW）中，半导体元器件通常占总材料清单（BOM）的比例不到10%。相比之下，冷却系统和无源元件（电容器和电感）占总成本的30%～40%。此外，半导体元器件的价格往往会随着时间的推移而降低，但无源元件的成本相对稳定。因此，对于现有的功率水平超过3kW的单相太阳能逆变器来说，转向多电平拓扑（使用更小的无源器件和更多的半导体器件）意义重大，因为它可以节省成本。需要更高额定功率的逆变器可以通过采用多电平拓扑来实现更大的成本节约。
多电平逆变器的另一个显著优点是每个器件具有较低功率损耗，允许采用较小表面贴装（SMD）封装MOSFET。SMD封装非常适合于自动拾取和安装工艺，能够降低系统组装成本。此外，更小封装具有较低电感值，这有助于提高在更高频率下的开关性能。多电平逆变器还有一个显著优点是使用几乎相同的设计和电路板布局，即可扩展到更高功率水平。但应该注意的是，与传统拓扑架构相比，多电平逆变器需要更高数量的栅极驱动器和隔离电源。这一挑战可以通过使用八输出反激式电源来解决，其可提供低功耗（<1W）和经济高效的解决方案（参见图4）。这种电源在单个子板上包括四个隔离式EiceDRIVER™2EDF7275F栅极驱动器，这意味着全系统解决方案需要三个这样的子板。此外，使用更容易制造的平面设计可以帮助降低复杂性和成本。
图4：栅极驱动器板上的八输出反激式电源（<1W）。
为了验证所提出的多电平拓扑性能，英飞凌科技根据表1所示的设计规范，构建了一个4 kW、五电平单相飞跨电容器（flying-capacitor）有源中性点箝位多电平逆变器演示板（参见图5）。这种多电平设计的一个优点是，即使总线电压为400 VDC，它也可以使用150V 9.3 mΩOptiMOS™5 150 V（BSC093N15NS5）MOSFET。
表1：拟建多电平逆变器的设计参数。
图5：五电平逆变器设计示意图。
图6所示为该设计相对于输出功率测量得到的效率曲线。在输出功率约2kW时，最高效率为99.1%。在满载（4 kW）时，它能够继续提供极高的效率（98.7%）。电路板在全输出功率下的热图显示，部件最高温度测量值低于85˚C。这些效率和温度数据可以解释为什么多电平逆变器可以在不需要散热器或风扇的情况下连续工作。
图6：五电平逆变器的效率与输出功率（开关频率为40kHz）。
虽然用SiC MOSFET取代硅基器件比改变逆变器拓扑架构更容易，但这种方法并不能像多电平方法那样提高效率和功率密度，这意味着即便在较低功率水平下仍然需要散热器，而在较高额定功率（＞5 kW）下可能需要强制冷却。虽然多电平拓扑架构更复杂，但它可以提供超过99%的高效率和高功率密度，使设计工作物超所值。
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