用于下一代光伏和儲能系統解決方案的寬禁帶半導體

　　碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶（WBG）半導體正在為下一代光伏（PV）和儲能系統（ESS）提供更高效率、更小尺寸的電源轉換解決方案。在本文中，我們將重點介紹英飛凌科技和東芝提供的此類產品的示例。

　　光伏安裝和發電量強勁增長

　　2050年溫室氣體凈零排放氣候變化目標正在推動許多國家采用可再生能源生產。光伏電池板效率和可靠性的提高、成本的降低以及政府補貼的結合推動了太陽能發電的顯著增長。2022年光伏累計裝機容量突破1TW，年內新增容量240GW。這占到2022年新增可再生能源裝機容量的三分之二。預計未來幾年的累計年增長率約為20%。據估計，到2050年，風能和太陽能將占所有能源產量的約三分之二。

　　PV和ESS電源轉換的趨勢

　　對于住宅用途，光伏輸出通常低于20kW，最大直流電壓為600V，典型單相輸出為110/230VAC。目前，公用事業規模的光伏發電的額定直流電壓通常為1，000V。更低的歐姆損耗以及由此提高的端到端效率，加上更少的并聯串來降低安裝成本，正在推動將該電壓從1，000V提高到1，500V。并網公用發電機的功率輸出可以從幾百千瓦到幾兆瓦。ESS系統相應擴展，典型的住宅壁掛式裝置功率范圍為3kW至20kW，電池電壓升至450V范圍。商業和公用事業ESS裝置的范圍可達兆瓦級別。

　　連接ESS的方法可以是交流耦合（其中電池通過DC/DC和DC/AC轉換的組合，然后并入電網）或直流耦合（其中直流光伏發電電源通過DC/DC轉換器連接到電池）。這種具有內置ESS功能的混合逆變器可以避免不必要的電源轉換。這些轉換器必須是雙向的，以便根據供應和需求來獲取和吸收電池能量。

　　隨著電動汽車的日益普及，電動汽車電池可以用作車到戶配置中的能源。在此，電動汽車電池可以通過雙向DC/DC轉換器直流耦合到光伏混合逆變器，也可以通過板載或板外雙向DC/AC逆變器交流耦合到電網。

　　這里使用了多種轉換器設計，每種設計都有自己的優點。CLLC和雙有源電橋（DAB）是雙向隔離式DC/DC轉換器的常見拓撲，其中低壓（例如48V的電池或光伏電源）與高壓直流輸出（為逆變器供電，例如400V）之間需要隔離。當沒有低電壓時，可以使用非隔離升壓DC/DC逆變器，例如輸出600V的較大的串式太陽能系統的輸出。

　　無變壓器雙向DC/AC轉換器設計——例如高效可靠的逆變器概念（HERIC）或多電平有源中性點轉換器（ANPC）——由于提高了效率并降低了系統成本、尺寸和重量，因此越來越受歡迎。HERIC逆變器可用于單相串式逆變器，輸出功率可達幾千瓦，而ANPC可用于輸出功率從數百千瓦到數兆瓦的中央逆變器。多電平ANPC允許使用額定電壓較低的器件（Vbus÷（n–1），其中Vbus是全總線電壓，n是電平數），并且還可以減少轉換期間的電壓轉換（dv/dt），從而減少電磁干擾。

　　用于PV和ESS功率轉換的WBG器件

　　在PV和ESS雙向DC/DC和DC/AC轉換器設計中，WBG器件比傳統Si器件具有許多優勢。更高的開關頻率可以減小系統尺寸并提高效率。損耗減少可以使冷卻要求變得更簡單。GaN器件還可以為更簡單的交流開關拓撲提供獨特的雙向功能，從而將器件數量減少4倍。

　　圖1顯示了SiC和GaN器件在太陽能和ESS應用中的應用空間。SiC非常適合在更大功率和更高電壓領域取代Si器件，器件的額定電壓范圍為1，200V至3，300V。額定電壓為650V或以下的快速開關GaN器件非常適合單個光伏微型逆變器和DC/DC轉換器應用。

　　圖1：SiC和GaN在太陽能和ESS系統中的應用空間。（圖片來源：英飛凌科技）

　　如圖2所示，英飛凌生產的CoolSiC和CoolGaN器件與傳統Si器件相比具有多種優勢。SiC改善了隨溫度變化的RDS（on）特性。GaN HEMT具有較低的輸出和柵極電荷（分別為Qoss和Qg），從而實現最低的開關損耗。GaN的Qoss較低，可用于降低軟開關CLLC拓撲中的死區時間并降低RMS系數。

　　圖2：與具有相似電壓和RDS（on）額定值的超級結Si MOSFET器件相比，SiC和GaN在導通電阻、輸出電荷隨漏極電壓的變化以及柵極電荷與柵極電壓的關系方面的比較。（圖片來源：英飛凌科技）

　　這些優勢直接轉化為轉換器效率的提高。例如，當將56V ESS電池放電到400V總線時，在諧振頻率以上運行的DC/DC CLLC轉換器可以在正在執行同步整流的次級側高壓開關上實現低得多的反向恢復損耗。DAB轉換器初級FET上的米勒柵極電荷（Qgd）會低得多，從而使初級側FET上的Eoff損耗低得多。

　　體二極管抗浪涌電流能力遠高于器件的標稱電流額定值，這可能是SiC MOSFET實現雙向功率轉換能力的另一個關鍵優勢?；赟iC的轉換器的工作頻率是類似額定值的Si IGBT的開關頻率的幾倍，同時仍然具有較小或相當的損耗，從而節省了系統的磁性元件尺寸，進而降低了尺寸和成本。英飛凌的分立CoolSiC器件產品額定電壓范圍為650V至2，000V，適用于硬開關和諧振開關拓撲。

　　在PCIM 2023上，東芝推出了具有嵌入式肖特基勢壘二極管（SBD）的額定2，200V的SiC MOSFET。該器件封裝為雙SiC MOSFET模塊。該額定電壓允許在1，500V光伏應用中使用兩電平逆變器。與三電平拓撲相比，它們的開關級更少，因此更小、更輕。該額定電壓為2，200V的器件與之前的額定電壓為1，700V和3，300V的SiC MOSFET一樣，遵循RDS（on）與Vds的關系。

　　SiC MOSFET在其內置體二極管的正向導通階段可能會受到基面缺陷增長的影響。這會導致RDS（on）增加和可靠性降低。單極SBD導通有效地避免了這種雙極導通階段，從而提高了可靠性。由于SBD的正向導通電壓較低，使用SBD還可以減少轉換器中的死區時間損耗。

　　光伏應用中的問題之一是宇宙射線退化和故障。一項研究表明，地面中子暴露引起的單事件燒毀故障率是VDS/VAVAL比值的函數，其中VDC是器件的額定電壓，VAVAL是其雪崩起始電壓。對于VDS/VAVAL為0.5或更低的器件，十億分之一的實時故障率要低得多（＜1）。該比率可以通過外延層/漂移層優化來調整。如圖3所示，與1，700V MOSFET相比，這些2，200V SiC MOSFET在白中子輻照（以綠色顯示）下的故障率提高了一個數量級。

　　圖3：東芝2，200V SiC MOSFET（以綠色顯示）與現有1，700V器件的中子輻照故障率對比。（圖片來源：Ogata等人，2023年）

　　在150℃的全額定VDS下對這些2，200V MOSFET進行的高溫反向偏置測試顯示，關鍵直流參數——例如閾值電壓Vth、RDS（on）和漏極泄漏——在2，000小時應力間隔內發生了小于5%的變化。

　　他們對使用1，200V和1，700V Si IGBT（工作頻率為3.9kHz）的三電平逆變器與使用這些2，200V SiC MOSFET（工作頻率為7.8kHz）的兩電平逆變器的開關性能進行了比較。這是在1，200V、200A和125℃的條件下完成的。即使在較高頻率下，2，200V轉換器的功耗也顯著降低了37%。

　　住宅和公用事業規模的光伏發電都能受益于WBG電源轉換器和ESS解決方案的使用。微型逆變器和單相串式逆變器可以受益于GaN的低損耗、高開關性能，從而大大提高功率密度并簡化轉換器拓撲。用于公用事業的大功率混合逆變器和三相中央逆變器也可以受益于SiC器件，這些器件在功率損耗、高溫性能和功率密度方面優于硅基器件。