碳化硅肖特基二極管在光伏逆變器的應(yīng)用

在全球推進(jìn)清潔與可再生能源的偉大征程中，光伏發(fā)電行業(yè)一路蓬勃發(fā)展。根據(jù)國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年全國太陽能發(fā)電裝機(jī)容量同比增長率以28.1%居于發(fā)電行業(yè)首位，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)3.9億千瓦。

在光伏系統(tǒng)中，光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，可將光伏（PV）太陽能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電（AC），用以反饋回商用輸電系統(tǒng)，或是供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。隨著功率等級的不斷提高，以及整機(jī)體積的增加，光伏逆變器對功率器件的規(guī)格和散熱要求也越來越高。相比于傳統(tǒng)硅材料，碳化硅性能更為優(yōu)越，因此碳化硅功率器件在光伏逆變器的使用越來越廣泛。其中，碳化硅肖特基二極管無反向恢復(fù)電流，被廣泛應(yīng)用于光伏逆變器中的MPPT電路中，可顯著減小損耗，優(yōu)化散熱，降低成本。

本文將重點(diǎn)介紹碳化硅材料和碳化硅功率器件在光伏逆變器中的應(yīng)用優(yōu)勢。

01 碳化硅材料特性及優(yōu)勢介紹

碳化硅作為寬禁帶半導(dǎo)體的代表性材料之一，其材料本征特性與硅材料相比具有諸多優(yōu)勢。以現(xiàn)階段最適合用于做功率半導(dǎo)體的4H型碳化硅材料為例，其禁帶寬度是硅材料的3倍，熱導(dǎo)率是硅材料的3倍，電子飽和漂移速率是硅的2倍，臨界擊穿場強(qiáng)更是硅的10倍。在硅基半導(dǎo)體器件性能已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期時(shí)，碳化硅材料的優(yōu)異特性讓它成為了下一代功率半導(dǎo)體器件的理想原材料。

圖1  4H型碳化硅與硅基材料特性對比

在硅基半導(dǎo)體器件性能已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期時(shí)，碳化硅材料的優(yōu)異特性讓它成為了下一代功率半導(dǎo)體器件的理想原材料。以光伏行業(yè)為例，碳化硅功率器件能為光伏逆變器帶來更高的轉(zhuǎn)換效率、更低的能量損耗，從而有效縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本等。

02 碳化硅肖特基二極管在光伏逆變器中的應(yīng)用優(yōu)勢 

對比硅的快恢復(fù)二極管，碳化硅肖特基二極管在BOOST電路中的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢，由于碳化硅肖特基二極管是肖特基結(jié)構(gòu)，且是多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，不存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復(fù)問題，因此碳化硅肖特基二極管可以降低對應(yīng)換流回路中的開關(guān)損耗，在更高的頻率環(huán)境中工作，且在相同工作頻率下具有更高的效率。

在光伏逆變器中，碳化硅肖特基二極管主要用于BOOST電路，如圖2所示拓?fù)錇镾ingle Boost，是光伏逆變器中使用較為廣泛的拓?fù)?，拓?fù)渲械腄1在使用碳化硅肖特基二極管時(shí)，可以降低對應(yīng)換流回路中開關(guān)管的開關(guān)損耗，降低溫升，從而減小散熱器的體積，可以提高頻率，減小磁性元器件的體積，降低成本。

隨著光伏逆變器功率越來越高，碳化硅肖特基二極管的應(yīng)用優(yōu)勢得到了各大主流光伏逆變器廠商的一致認(rèn)可，光伏行業(yè)成為目前碳化硅肖特基二極管使用量最大的市場之一。

圖2  Single Boost拓?fù)?/p>

03 產(chǎn)品推薦

隨著光伏逆變器功率的提高與光伏組件的迭代，光伏逆變器中選用的碳化硅器件的規(guī)格也在不斷提升，對器件的浪涌能力、擊穿電壓、雪崩能量以及正向電流等參數(shù)要求都在變高。

基本半導(dǎo)體面向光伏及儲能領(lǐng)域推出了碳化硅肖特基二極管、碳化硅MOSFET和碳化硅功率模塊三類產(chǎn)品。其中碳化硅肖特基二極管已經(jīng)在工商業(yè)光伏逆變器、組串式光伏逆變器、微型光伏逆變器領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。以下是基本半導(dǎo)體自主研發(fā)的適用于1000V、1500V光伏逆變器系統(tǒng)的碳化硅肖特基二極管型號：

表1 基本半導(dǎo)體碳化硅肖特基二極管Boost方案器件選型

04 結(jié)語

碳化硅功率器件的諸多優(yōu)勢，使其在光伏儲能、電動(dòng)汽車、軌道交通、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，碳化硅器件在光伏逆變器的應(yīng)用不僅限于碳化硅肖特基二極管，在光伏逆變器的逆變部分，碳化硅MOSFET的應(yīng)用也越來越多，基本半導(dǎo)體“SiCer小課堂”后續(xù)也將會推出相關(guān)文章介紹，敬請關(guān)注。