采用碳化硅器件的高效率光伏逆变器研究

潘三博，郝夏斐

（安阳师范学院，安阳 455002）

采用碳化硅器件的高效率光伏逆变器研究

潘三博，郝夏斐

（安阳师范学院，安阳 455002）

0 引言

随着能源的枯竭与应对温室效益的需要，光伏等可再生能源的应用日趋重要。为更加高效地利用新能源，光伏逆变器的技术发展趋势是提高效率，减小体积与重量，提高可靠性。而碳化硅半导体器件具有禁带宽、耐压高、通态电阻低、漏电流小、开关速度高、电流密度高、耐高温等优点，这决定了它在高可靠性、高频率、高效率的应用场合是理想的下一代电力电子器件[1]。近年来，国内外对碳化硅结型场效应功率晶体管在光伏逆变器的应用开展了探索性的研究[2]。

本文首先讨论了碳化硅结型场效应功率器件驱动电路特性与驱动波形。然后对碳化硅光伏逆变器的损耗进行了理论分析与计算，最后通过样机实验测试，对比了分别采用碳化硅新型器件与常规的硅IGBT模块的光伏逆变器的效率。结果验证了采用碳化硅器件的光伏逆变器能有效提高逆变器的效率，并且提高开关频率，这对于发展体积小、重量轻、效率高的下一代光伏逆变器具有积极的影响。

1 器件的工作特性和效率分析

图1为光伏逆变器主电路，其中开关器件J1～J6均采用碳化硅结型场效应功率晶体管。光伏逆变器的一个重要指标就是效率，逆变器的损耗主要分为导通损耗、关断损耗与开关损耗。碳化硅新型器件的漏电流较小，器件的关断损耗通常可以忽略，一般只分析导通损耗与开关损耗。下面从碳化硅器件的使用及逆变器损耗方面进行研究。

1.1 碳化硅器件的工作特性

图1 采用碳化硅器件的光伏逆变器主电路图

图2为碳化硅结型场效应功率晶体管的驱动电路简图。碳化硅结型场效应是“常通”型器件[3]，即，不加栅极电压时，器件是开通状态， 栅极加负压才能使得器件关断，这就需要一个电平转换电路，把从控制器来的控制信号5V高电平信号转化为0V，来开通碳化硅结型场效应功率晶体管。把从控制器来的0V低电平信号转化为-24V，来有效关断碳化硅结型场效应功率晶体管。同时，因为碳化硅器件的开关速度很快，达到40kv/µs，所以要用高速光耦作为隔离元件。为快速驱动器件的开通与关断，采用了图2中Tr1与Tr2的图腾柱输出，使器件最大驱动电流能力达到6A。选择合适的输出阻抗可以减小器件高速开关所带来的震荡。图3为在时间轴上放大后的器件驱动电压波形，实际上整个过称只数十纳秒。器件在关断时，驱动电压为较大的负压，开通时，Vgs上升，其中图中t1到t2时刻为米勒效应时间。大的驱动电流能有效减少米勒效应时间，提高开关速度。过了米勒区，电压很快上升到器件的开通电压。

图2 碳化硅功率晶体管驱动电路简图

图3 碳化硅器件驱动电压波形

1.2 导通损耗

图4为逆变器的输出电压，电流相位图。其中，α是电流的相位角。θ是电压，电流的相位差。

图4 输出电压、电流波形图

设m是调制比，IM为电流幅值，Rs(on)、Rd(on)分别为开关管、二极管通态压降，对于高频光伏逆变器等调制波与载波比较大的PWM波形来说，开关管与反并联二极管的占空比Ds、Dd分别为：

任意α角度时，开关管与二极管的导通损耗分别为：

式（2）中，开关器件与二极管的导通压降分别为：

因为每个器件的平均导通时间是开关周期的一半，所以器件的平均功率为：

由（2）-（4）得，光伏逆变器中，碳化硅结型场效应功率晶体管与二极管的导通损耗分别为：

1.3 开关损耗

因为碳化硅器件几乎没有反向恢复的电荷存储效应，因此，几乎没有反向恢复电流，也没有由反向恢复电流引起的在开关管中的导通损耗。而硅开关器件则有这部分损耗。为方便计算损耗，假设电流与电压在开关过程中都是线性变化的，则一次关断损耗的能量Eoff为：

整个周期中，平均关断损耗[4]为：

同理，可以得出一次开通所需的能量Eon为：

整个周期中，平均开通损耗为：

1.4 损耗对比分析

把碳化硅模块以及第5代IGBT模块的参数[4]代入（5）、（7）、（9）可以得到在不同的开关频率时，各开关器件的开关管导通损耗（PScond）、二极管导通损耗（PDcond）、开关管开通损耗（PSon）、开关管关断损耗（PSoff）、反向恢复损耗（PDrr）的损耗对比如表1所示。

表1 碳化硅与硅器件的损耗对比

2 实验研究

图5为采用碳化硅器件的光伏逆变器实验样机。样机参数：直流电压540-600V可调，三相交流输出线电压380V，工频50Hz， 输出功率从0到1千瓦。选取4组双路输出的隔离电源作为碳化硅器件的驱动电源，光伏逆变器的控制采用TMS320F2812处理器，该器件强大的定点计算能力与丰富的电力电子外设能很好地满足实施控制与应用的需要。

图5 实验样机图

图6 实验驱动与输出电压波形

从图6中DSP控制信号与器件的驱动波形可以看出，驱动电路完成了高速的逻辑电平转换。从输出波形可以看出，光伏逆变器输出电压为标准的工频正弦波。图7为采用碳化硅器件与第五代硅IGBT模块的光伏逆变器在不同开关频率与不同功率输出时的效率对比实验数据图。从图中可以看出，随着开关频率的提高，碳化硅光伏逆变器效率的提升越来越明显。30kHz时，碳化硅光伏逆变器效率比硅器件要提高3%以上。

图7 实验效率对比图

3 结论

本文通过分析碳化硅结型场效应功率晶体管的工作特性，提出了解决高速开关以及隔离型带电平转换的驱动电路。对光伏逆变器的导通损耗、开通损耗和关断损耗进行了理论分析，用碳化硅器件光伏逆变器样机与常规硅器件光伏逆变器样机进行了实验对比。实验结果表明碳化硅器件光伏逆变器比常规硅器件光伏逆变器效率高，在30KHz时，能提高3%以上，验证了碳化硅光伏逆变器的在高频化与高效率方面的优势。高频化将实现碳化硅光伏逆变器的体积小、重量轻、易于安装，高效率使得光伏发电装置整个效率升高，节约了资源。同最近德国Fraunhofer太阳能研究所宣布的吻合，碳化硅光伏逆变器将在可再生能源的应用中具有良好的前景。

[1]P. Friedrichs. Silicon Carbide power devices - status and upcoming challenges[C]. Proc. European Conference on Power Electronics and Applications, 2007: 1–11.

[2]T. Friedli, S. Round, J.W. Kolar. Design and Performance of a 200-kHz All-SiC JFET Current DC-Link Back-to-Back Converter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2009, 45(5): 1868-1878.

[3]Sanbo Pan, Chris Mi, Tim Lin. Design and Testing of Silicon Carbide JFETs Based Inverter[C]. IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2009: 2556-2560.

[4]潘三博, 潘俊民. 一种新型的零电压谐振极型逆变器[J].中国电机工程学报. 2006, 26(24): 55-59.

Research of high efficiency solar inverter using SiC devices

PAN San-bo, HAO Xia-fei

采用新型碳化硅结型场效应功率晶体管的光伏逆变器与采用硅IGBT模块的传统光伏逆变器相比，具有开关频率高、体积小、效率高的特点。本文对桥式碳化硅模块的驱动，以及以碳化硅器件组成的单相光伏逆变器的开关特性、开关损耗以及效率进行了理论分析与实验研究。通过实验样机的测试，验证了方案的有效性与优越性。

碳化硅；结型场效应晶体管；光伏；逆变器

潘三博（1974－），男，湖北孝感人，博士后，研究方向为电力电子技术及其应用。

TN615

A

1009-0134(2011)4(下)-0131-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).38

2010-12-05

河南省科技厅科技发展计划项目（102102210212）