重新應(yīng)用 BJT：在光伏逆變器中運(yùn)用新型SiC BJT 可實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本

減小濾波器的尺寸

在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，可降低無(wú)源元件的成本。 為了進(jìn)一步提高功率密度，我們著眼于改善濾波器電感的方法。 在評(píng)估了各種核心材料的能力后，我們選擇了一種使用 Vitroperm 500 F(一種薄夾層式納米晶體材料)制成的新型磁芯材料。 該材料產(chǎn)生的損耗低，且在高頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)良好。 此外也可在高飽和磁通值下運(yùn)行，這意味著該材料比類似的鐵氧體磁芯(圖 2 右側(cè))要小得多。 使用 Virtoperm 磁芯構(gòu)成的濾波電感器，約為參照系統(tǒng)的四分之一大小。

圖 2 顯示了在最大電流紋波(40%)下對(duì)于不同材料將電感器尺寸作為開(kāi)關(guān)頻率函數(shù)的因素。 在此，我們假設(shè)電感量近似為電感值，而這又取決于峰值磁通密度和開(kāi)關(guān)頻率。 在達(dá)到指定的臨界點(diǎn)(在 100mW/cm 時(shí)定義的特定損耗3)后，需要降低峰值磁通量以避免過(guò)熱，從而在該點(diǎn)之外運(yùn)行將不會(huì)導(dǎo)致其大小顯著減小。 頻率一定時(shí)，Vitroperm500F 可在所有材料中實(shí)現(xiàn)最佳性能。

圖 2. 用作頻率函數(shù)的不同芯材的電感器大小，以及與 Vitroperm 和鐵氧體磁芯的大小比較

圖 3 顯示了測(cè)得的效率級(jí)，包括采用兩階段解決方案的驅(qū)動(dòng)損耗。 根據(jù)計(jì)算得出的損耗分布如下圖曲線所示。 該系統(tǒng)可以在沒(méi)有達(dá)到臨界溫度或飽和度的情況下達(dá)到高電流負(fù)載。 該兩階段驅(qū)動(dòng)解決方案會(huì)將驅(qū)動(dòng)損耗降低至輸入功率的 0.02% 左右。 整體損耗更低使得所需的散熱片尺寸減小，且更高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的過(guò)濾器元件。 所有這些特性最終有助于降低系統(tǒng)成本。

圖 3. 48 kHz 時(shí)的效率和驅(qū)動(dòng)損耗，以及原型圖

結(jié)論

碳化硅賦予 BJT 新的生命。 與基于硅的前代產(chǎn)品不同，碳化硅 BJT 可實(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)度，并且可在更廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。 在驅(qū)動(dòng)器電路中使用兩個(gè)電源電壓，可降低驅(qū)動(dòng)損耗，實(shí)現(xiàn)良好效率。 更高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的電感器，從而在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)顯著的成本節(jié)約。 高壓應(yīng)用(如光伏逆變器)將受益于高功率密度、更低系統(tǒng)成本和簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)，因此 SiC BJT 成為極具吸引力的替代產(chǎn)品。