在几乎所有情况下，太阳能电池板的DC输出都需要转换为标准AC线电压，以运行现有负载或馈入电网
作者：Qorvo应用工程师Mike Zhu
 
光伏装置的规模各不相同，从国内微电网中产生几百瓦的电源到提供数千兆瓦的公用事业规模。在几乎所有情况下，太阳能电池板的DC电都需要转换为标准AC线电压，以与现有负载兼容或馈入电网。电池板DC电通常使用最大功率点跟踪（MPPT）控制器升压到直流链路；DC链路上的可选电池提供电源的连续性，逆变器（通常是双向的）产生线路交流电（图1）。

图1：太阳能发电安装概述

由于涉及的功率水平范围很广，太阳能电池阵列通常使用带有单独逆变器的“串”电池板，其输出并联，而不是一个高功率中央逆变器。多个较小的逆变器可能会增加总硬件成本，但它们具有可扩展性和容错性的优点，并且可以在没有重型起重设备的情况下部署。因此，市场上最大的部分是几千瓦到200千瓦的逆变器，DC链路电压为600-1500V。
用于更高功率水平的升压转换器和逆变器的半导体开关传统上是IGBT，硅MOSFET适用于多千瓦额定值。然而，为了追求更高的效率和更小的安装，可以考虑宽带隙碳化硅（SiC）开关。这些通常在高达1700V的额定电压下可用，具有低导通电阻，可实现最小的传导损耗，并且可以在高频下切换，具有低动态损耗。这使得磁性元件更小，从而节省了整体系统尺寸、成本和重量。
 
SiC作为一种宽带隙技术，不仅提供了高电压阻断能力，而且大大降低了来自地面中子或宇宙射线的故障风险，这对太阳能系统的可靠性至关重要。
然而，SiC MOSFET的导通电阻R_DS(ON)在高功率下仍然是一个限制，因为功耗随着电流的“平方”加上温度升高而增加，这与IGBT的近乎线性的增加不同。但考虑到包括开关损耗在内的总器件损耗，SiC仍然比Si高效得多。此外，SiC作为一种材料，其导热性是Si的3倍，可以比Si更快地从结中散热。
 
SiC-FET改善SiC-MOSFET性能
Qorvo率先推出的SiC FET在几个方面对SiC MOSFET进行了改进。SiC FET采用具有共源共栅结构的SiC JFET技术来进一步降低R_DS(ON)，并采用先进的Ag烧结管芯连接来提高热性能，以将开关结温度保持在一定范围内。SiC JFET和硅MOSFET的这种共源共栅组合（图2）具有导通和开关损耗的品质因数（FOM），在比较相同电压等级的器件时，使其领先于竞争技术。同时，SiC FET通常处于关断状态，具有简单的非临界栅极驱动，通常为0-12V，稳定阈值约为5V。相比之下，SiC MOSFET需要特定的高栅极驱动电压才能完全增强，约为20V，这非常接近其绝对最大值，并且可能存在栅极阈值稳定性问题。SiC MOSFET集成体二极管在某些应用中导通，例如在电感负载的开关死区期间，这会导致电荷恢复和正向导通功率损失。然而，SiC FET与SiC MOSFET一样快，但具有更低的体二极管正向电压降，有助于提高效率。其他参数，如总栅极电荷、输出电容和开关能量，也优于SiC MOSFET。


图2：SiC FET共源共栅排列
 
SiC FET E1B模块
到目前为止，SiC FET已经有了各种分立封装（TO-247、TO-220、TO-263、TOLL等），应用功率高达数十千瓦。Qorvo现在推出了一系列行业标准E1B模块格式的器件，以满足太阳能升压DC/DC和DC/AC逆变器应用等高功率应用，以及电动汽车充电器和通用工业AC/DC市场（图3）。


图3：SiC FET的E1B模块封装

半桥模块的额定电压为1200V，集成了两个SiC FET和一个热传感器，在25℃的外壳温度下，R_DS(ON)值分别为19毫欧和9.4毫欧，最大连续电流分别为69A和100A。带有四个SiC FET和一个热传感器功能器件R_DS(ON)值为70毫欧和35毫欧的全桥模块，在25℃的外壳温度下额定电流为24A和36A。模块内管芯的紧密集成实现了紧密的EMI控制和高频操作，而不会受到多个分立器件互连的限制和变化。这种集成还大大简化了热机械设计和组装，同时也有助于降低风险并缩短系统开发时间。图4显示了E1B模块在太阳能升压转换器和逆变器中的可能用途。


图4：SiC FET E1B模块在太阳能转换应用中的应用

性能指标
在宽带隙和传统硅器件中，SiC-FET在给定管芯面积R_DS(ON).A的导通电阻、输出电容R_DS(ON).C_OSS和相关开关能量R_DS(ON).E_OSS方面具有最佳的FOM。重要的是，这些FOM在125℃和25℃下仍领先于竞争器件。这意味着，在任何软开关或硬开关应用中，SiC FET具有低导通和开关损耗的组合，这在现实工作温度范围内比较相同电压等级的器件时总体上是有利的。
 
更好的是，SiC FET E1B模块通过银烧结管芯连接实现了先进的热管理，与传统的23-53 W/mK焊接技术相比，其导热系数为130-250 W/mK。这导致1200V 100A半桥E1B模块（UHB100SC12E1BC3N）从结到壳的热阻仅为0.23℃/W。对于具有堆叠管芯连接的模块（SiC JFET顶部的Si低压MOSFET），与基于SiC MOSFET的模块相比，功率循环能力提高了2倍以上，这与Si性能一致。这是因为在堆叠时，高载流源极引线键合附着在刚性较低的硅MOSFET上，从而缓解了功率循环测试期间的热机械应力。[这里需要一句话，将改进的热管理和2次电源循环的好处结合在一起，可以提供更长的产品寿命]
 
利用SiC FET优化效率
功率转换拓扑可以在软开关模式下运行，以最大限度地减少动态损耗，但升压转换器在更高的功率水平下通常不会这样做。这是为了保持连续（电感器）传导模式CCM，并将电流应力水平保持在可管理的范围内。由于是硬开关，必须仔细控制转换，以尽量减少电压和电流重叠的动态损耗，这通常是通过选择具有不同值的最佳栅极串联电阻通过门控二极管进行导通和关断来实现的。然而，对于SiC FET，SiC JFET的栅极不可访问，串联电阻设置在管芯中，不可调。作为替代方案，可以使用小型缓冲器，通常只使用表面安装尺寸的组件，Qorvo已经证明这实际上是一种低损耗的解决方案，即使包括缓冲器中的耗散。例如，图5（左）中的测量值显示，与边缘速率由缓冲器和栅极电阻控制的竞争器件相比，使用缓冲器和Qorvo E1B模块在硬导通过渡期间耗散的能量下降了约32%。图5（中间）显示了使用缓冲器时，使用E1B模块的硬开关转换器在关断过渡中总能量减少53%的更大好处。
对于具有导通过渡软开关（ZVS）的转换器，导通损耗接近于零。在这种情况下，缓冲电容能量在ZVS期间被回收，并且不会对硬开关导通事件中出现的导通损耗造成任何损失。右侧的关断能量耗散图，带有软开关ZVS过渡，显示了带有缓冲器的Qorvo部分也具有很强的优势，其能量耗散比竞争器件低74%。






图5a、5b和5c：带有推荐缓冲器的SiC MOSFET的Qorvo SiC E1B模块（UHB100SC12E1BC3N）开关损耗基准

因此，动态损耗可以控制在同类产品中的最低水平，再加上毫欧级导通电阻和高能雪崩和短路耐受额定值，SiC FET解决方案是高效太阳能转换器/逆变器设计的一个令人信服的主张。
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