SiC肖特基二極管在太陽能系統的應用

碳化硅（SiC）二極管已經進入迅速擴張的太陽能逆變器市場，尤其是在歐洲。Cree的1200V SiC肖特基二極管已開始用來取代DC鏈升壓電路所使用的硅（Si）PiN類設計，而且將很快出現在商用系統的逆變器領域。

最近幾年，材料質量、尺寸和成本方面的進展，使SiC成為功率器件中Si的一種真正可行的替代者。隨著晶圓尺寸的增加，缺陷密度在不斷下降，材料成本也隨之下降，同前較大的功率器件已經采用了SiC。該技術有許多獨一無二的特性，使之成為了高壓或高溫操作的一種近乎理想的材料。

首先，SiC的導熱率足砷化鎵的幾倍，也超過了Si的三倍。這將可以制造出更高電流密度的器件。另外，SiC的擊穿電場（breakdown field）幾乎是Si擊穿電場的十倍，所以采用SiC的相同設計將獲得硅元件十倍的額定擊穿電壓。由于這個原因，才有可能開發出非常高電壓的

肖特基二極管。最后，SiC是一種寬能帶材料，因此，相對于任何硅器件而言，SiC可在高得多的溫度下工作。圖1所示為SiC、GoAs和Si在導熱率、電場擊穿和能帶隙方面的差異。

由于上述原因，肖特基二極管成為了沒有少數載流子再復合，進而導致零反向恢復電流的單極性器件（參考圖2），不過，其結電容電荷非常少。其重要性在于，這種電荷與Si PiN器件同相反向恢復電荷相比可以忽略不計，而且它還與溫度、正向電流和開關di/dt（電流隨時間的變化量）無關。這些肖特基二極管還具有零正向恢復電壓，可以即時導通。這些開關特性還具有通常被忽略的大幅度降低電磁干擾（EMl）的好處。由于開關必須對伴隨Si PiN器件的反向恢復電流進行轉換，這些器件可以消除功率轉換系統中的二極管開關損耗，進而大幅度降低與開關有關的導通損耗。由于這種效率和性能上的提高，SiC肖特基二極管成為了太陽能系統的理想解決方案。

圖1 幾種材料的比較

圖2 肖特基二極管與硅等效元件恢復的對比

圖2中紅線表示在外殼溫度為25℃、50℃、100℃和150℃時，Cree的10A 600V肖特基與10A Si等效元件的Vf與If器件特性的對比。SiC器件的溫度是獨立的，而且沒有反向恢復電流。

據可靠信息估計，全球能源消費的39%為用電。在美國，預計未來十年能源需求將增加19%，而發展中國家的需求增加將更加迅速。歐洲已經意識到了太陽能的優點，而一些國家正在推動商業和個人使用太陽能。由于采用SiC肖特基二極管使整個系統效率得以提高，許多太陽能設備制造商紛紛開始轉向這一技術。

太陽能板收集太陽能能量，將其轉換為正向DC電壓。該電壓隨太陽能板上接受的太陽光的光強而變化。利用高頻下的升壓式轉換器開關，該電壓可以提升至一個固定的DC電壓。SiC肖特基二極管可以消除升壓二極管的開關損耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的導通損耗。這將顯著提高升壓電路的效率（參見圖3）。然后，一個逆變器將固定DC電壓變成固定頻率的可用的AC電壓（歐洲的典型值為220V，50Hz；北美為110V，60Hz）。SiC肖特基二極管可以

消除這部分電路中的續流二極管的開關損耗，同時可以降低IGBT導通損耗（參見圖4）。逆變器效率也就隨之顯著提高了。

圖3 電路的比較

圖3中，左邊的電路顯示了采用Si PiN二極管、帶緩沖電路的升壓電路。右邊的電路則顯示了采用SiC二極管的升壓電路。沒有恢復電流就無需緩沖電路，使電路變得更加有效。

圖4顯示了一個采用Si PiN續流二極管的逆變器與SiC肖特基續流二極管之間輻射EMI的差異。

圖4 EMI比較

硅基逆變器典型的平均效率接近96%。利用一個更加有效的系統，太陽能板提供的能量可以更有效地轉換為可用電能。采用SiC器件，逆變器的平均效率可能提高到97.5%。這相當于減少了25%的逆變器損耗?？紤]到太陽能系統至少需要工作30年，即意味著在節約能源方面有相當大的改進，通過降低溫度，系統也將具備更高的可靠性?，F已上市的太陽能系統通常被劃分為兩類，即并網型（gridtied）和離網型（off-grid）。正如其名稱，“并網型”系統是與電網連接的。根據負載需求、時間等不同，終端用戶的電力要么來自于系統的太陽能板，要么來自于電網。這類系統具備一種計量能力，來自太陽能系統的電力可以在低需求期間輸送回電網?！半x網型”系統采用獨立的電池系統，有時也有一個備用的發電機。太陽能板通過一個充電控制器對電池組進行充電，電池可以向逆變器提供輸入功率，從而為終端用戶提供電力。

今天，通常一個系統的成本大約為每瓦特10美元，所以一個3kW的系統大約需要3萬美元。顯然，一個更加有效的系統將意味著消費者較快可以得到回報，此外，全球對能源的關注正在促進可實現更多優勢的替代能源和碳化硅的應用。

太陽能板制造商在繼續致力于設計一種更加有效的產品，其典型的運行效率為15%-20%。在這個統計中，正是升壓式轉換器和逆變器對系統的全面能量效率產生了最大的影響，這就是SiC二極管扮演這種重要角色的原因所在。

對用于光電板的更加有效材料的研究開發正在進行中。利用更有效的光電板，可以使更小面積的光電板提供高得多的額定功率?；谶@點，SiC二極管制造商應該看到其客戶需求方面的改變，即從目前的10Amp-20Amp額定值走向50Amp、100Amp及更高額定電流的器件。

目前我司已開發出600V~1200V碳化硅二極管，詳細信息可聯系我司人員了解。