基于新型1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET的三相双向逆变器的研究

刘学超，黄建立，叶春显

（1.科锐香港有限公司功率与射频器件事业部，香港；2.深圳市鹏源电子有限公司半导体事业部，深圳518031）

基于新型1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET的三相双向逆变器的研究

刘学超1，黄建立1，叶春显2

（1.科锐香港有限公司功率与射频器件事业部，香港；2.深圳市鹏源电子有限公司半导体事业部，深圳518031）

研究了基于新一代宽禁带1 200 V碳化硅（SiC）MOSFET三相双向逆变器，由于SiC MOSFET的高耐压、低损耗、高开关频率特性，逆变电路的拓扑结构得到简化，并提高了功率密度和可靠性。同时，利用碳化硅MOSFET的双向第三象限导通特性，与硅基IGBT相比省略了开关器件的反并联二极管。20 kVA实验样机验证了在该中大功率三相双向逆变器中SiC MOSFET相比硅基IGBT方案的优势。

碳化硅；宽禁带；双向逆变器；反并联二极管；第3象限

引言

随着新能源的发展，电池储能的应用变得越来越广泛。对储能系统来说，一方面外部交流电网需要通过变换器对储能电池适时地进行充电；另一方面，在需要的时候储能系统也可以对外部交流电网或者其他负载通过变换器释放交流电能。此变换器称为双向逆变式变换器。双向逆变式变换器可以从直流变换成交流（DC to AC）放电电源，同时也可以通过交流电源对直流储能系统（AC to DC）充电电源。该变换器的一种典型应用是电动汽车充电系统，它能实现车辆V（vehicle）对车辆、车辆对电网G （power grid）之间的电力能量的互连传递。这种双向逆变式变换器可以极大地利用电能效率，实现电动汽车与电网 （V2G和G2V）在能源方面的互联互通。双向逆变式变换器的另一种应用是储能式光伏逆变系统，在晚间用电低谷电价低时，电网可以通过双向逆变式变换器对储能系统充电；在白天用电高峰时光伏对电网供电，在供电不足条件下，储能系统可以通过双向逆变式变换器平衡电网，削峰填谷，有效地最大化利用再生能源。

碳化硅（SiC）是新型第3代半导体材料的典型代表，具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优势，特别适合制作大功率功率器件。利用SiC等新材料实现的功率半导体器件目前正带领电力电子应用领域实现一场“绿色新能源革命”［3～7，9］。目前，基于SiC MOSFET的发展迅速，正逐步应用于新能源大功率变换应用领域。尤其是1 200 V或1 200 V以上的SiC MOSFET，与传统的硅基IGBT相比，其具有很低的开关和导通损耗、高可靠性、高耐压、高雪崩击穿能力等特点为电力电子逆变器系统的小型化、简洁化、轻型化、高效化带来可能。当前SiC MOSFET器件成本相对于硅器件仍然较高，因此在实际应用中必须体现它的高频化和简化拓扑的优势，才能更好地用于实际系统中。

为此，本文提出一种基于宽禁带SiC MOSFET的两电平三相双向逆变式变换器，可以将逆变拓扑从三电平简化为两电平，采用高频工作实现较高功率密度和较低总体成本，并研制1台20 kVA实验样机进行验证。

1　碳化硅MOSFET三相双向变换器拓扑

在传统逆变器电路中，采用硅基IGBT的三电平逆变器拓扑最为常见的电路，主要包括中点嵌位型NPC（neutral point clamp）三电平电路和改进型T字型三电平电路。这些三电平逆变器主要存在以下3点局限：①电路拓扑结构复杂，由于采用三电平技术，电路设计（包括控制和驱动部分）较为复杂，特别是对于双向逆变式变换器来说，三电平控制策略将更加复杂；②采用硅基IGBT，开关频率受到损耗的限制，一般频率在20 kHz以内，交流滤波电感由于低频化的限制，尺寸较大，限制了功率密度的进一步提升；③由于硅基IGBT损耗较大，特别是开关损耗较大，效率受到限制。目前典型的20 kVA逆变器最高效率局限在98.6%以内。

本文所提碳化硅MOSFET两电平三相双向逆变器拓扑如图1所示。其中，每一个开关单元只含SiC MOSFET开关器件，二极管为SiC MOSFET内部寄生体二极管，与硅基IGBT相比该逆变器不需要反并联二极管，并且从复杂三电平电路简化为两电平电路。由于采用SiC MOSFET，可实现更高开关频率工作，从而可减小系统的体积，提高功率密度，降低研发、生产和运输成本。为了验证该逆变器的性能研制了一台20 kVA实验样机，图2为样机整体系统结构框图，主要包括主功率部分、数字控制部分和辅助电源部分，其数字控制采用传统状态空间脉宽调制SVPWM控制策略，缓解了由于三电平电路带来的软件资源不足的问题。本文所提碳化硅MOSFET两电平三相双向逆变器拓扑如图1所示。

图1　基于碳化硅MOSFET的两电平三相双向逆变式变换器拓扑Fig.1 Two-level three-phase bi-directional inverter topology with SiC MOSFET

2　碳化硅MOSFET性能

2.1碳化硅MOSFET特点总结

SiC MOSFET作为功率开关器件，具有以下主要特点：

（1）高耐压和低导通电阻。碳化硅材料具有10倍于硅材料的电场强度，用碳化硅材料制成的平面型（Planar）MOSFET可以极大地减小耗散层的单位电阻率，理论上硅基1 200 V MOSFET的电阻率大约为RD=390 mΩcm2，而SiC基1 200 V的电阻率仅有RD=1.1 mΩcm2。因此SiC MOSFET导通电阻可以极大减小，特别适合高压电力电子变换器应用。目前商业化的SiC MOSFET主要以1 200 V为主，其最低导通电阻仅为25 mΩ［1］。未来可以利用SiC MOSFET实现更高耐压的MOSFET，甚至SiCIGBT，比如10 kV SiC MOSFET［3，7～8］等。

（2）驱动 Vgs建议开通电压不同于硅器件。SiC MOSFET输出伏安IV特性曲线如图3所示，图（a）为SiC MOSFET的典型输出特性曲线，图（b）为Si MOSFET的输出特性曲线。

图2　基于碳化硅MOSFET的两电平三相双向逆变式变换器及其系统结构框图Fig.2 Two-level three-phase bi-directional inverter with SiC MOSFET and its system block diagram

图3　SiC MOSFET和Si MOSFET典型输出IV特性曲线Fig.3 Typical IV output characteristic curves with SiC MOSFET and Si MOSFET

由图3可以看出，SiC MOSFET跨导（transconductance，gm）相比于Si MOSFET比较小。因此为了能得到较低导通压降，SiC MOSFET开通驱动Vgs电压建议为18～20 V左右，Si MOSFET开通电压一般只需要 10～15 V。另外，SiC MOSFET本身的MOSFET特性，可以实现0 V关断，但为了SiC MOSFET的快速开关特性，在关断SiC MOSFET的时候一般建议-3～-5 V关断电压，避免关断过程由于快速开关干扰误触发MOSFET开通阈值电压VTH。典型SiC MOSFET驱动电路包括信号隔离、供电隔离和功率驱动等，如图4所示。

（3）基于高耐压特性SiC MOSFET单位晶元比Si基IGBT和MOSFET要小很多，使得SiC MOSFET寄生参数，如Ciss、Crss、Coss等比普通Si器件要小，开关时间短，开关损耗低。图5是实测额定电流20 A的SiC MOSFET与Si IGBT、Si MOSFET开关损耗的比较。SiC MOSFET开关损耗仅为Si器件开关损耗的1/5，甚至小于1/10。随着SiC器件设计的快速发展，可以预见开关损耗（Eon和Eoff）还能够进一步降低。

（4）SiC MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图6所示为同一额定电压900 V的器件反向恢电荷由图可见，SiC MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于硬开关桥式电路来说，这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗，便于提高开关的工作频率。

图4　碳化硅MOSFET典型驱动电路Fig.4 Typical gate drive circuit of SiC MOSFET

图5　SiC MOSFET和Si开关器件关断和开通损耗比较Fig.5 Switching turn-off loss and turn-on loss comparisons between SiC MOSFET and Si devices

图6900　V SiC MOSFET和900 V Si MOSFET的反向恢复电荷QrrFig.6 Reverse recovery charge Qrrwith 900 V SiC MOSFET and 900 V Si MOSFET

图725　°C和150°C时SiC MOSFET 第1、3象限输出IV曲线Fig.7 First quadrant and third quadrant output IV characteristic curves at temperature 25°C and 150°C

2.2碳化硅MOSFET第3象限工作特性

与传统IGBT不同，SiC MOSFET具有双向导通特性，器件可以工作在第1、3象限。图7是常温和高温下电流50 A时SiC MOSFET在不同驱动电压下的输出IV特性曲线。当驱动电压Vgs=0 V时，反向第3象限电流流过MOSFET体二极管。当Vgs= 20 V时，常温25°C条件下，第1象限和第3象限对称，MOSFET具有双向导通特性。当Vgs=20 V时，高温150°C下，在额定电流电流50 A以下，第1象限和第3象限对称，MOSFET同样具有双向导通特性，在超过额定电流时，由于MOSFET沟道电阻急剧增加，导通压降超过体二极管管压降Vf，大部分电流在第3象限将不再流过MOSFET沟道，转而流过MOSFET寄生体二极管，表现为体二极管特性。基于以上特点，SiC MOSFET在设计逆变电路时不需要像 IGBT一样反并联二极管。利用 SiC MOSFET的双向导通特性使得电流即可以从漏极D流到源极S，也可以从源极S流到漏极D。

3　SiC MOSFET的三相双向逆变器样机研制与实验

根据SiC MOSFET的特点，本文试制了图2的20 kVA两电平三相双向逆变器。其直流侧电压为600～800 V，交流侧直接与380 V电网并网。与传统三电平方案相比，开关频率从传统20 kHz左右提高到40～60 kHz。每个开关器件有 2颗80 mΩ、1 200 V SiC MOSFET［2］并联，电路得到极大简化，从而提高了功率密度和可靠性。

3.1逆变器样机工作模式

20 kVA基于SiC MOSFET的三相双向逆变式变换器实验样机及实验平台。可以用于储能式光伏或者电动汽车充电装置中，直流侧可以连接任何600～800 V的高压系统，交流侧可以与三相电网进行并网，如图8所示。该三相双向逆变式变换器可以工作在直流转交流状态，也可工作在交流转直流状态，从而根据系统能源需要实现双向能源互联。当工作在交流电转为直流电的条件下，通过控制策略可以进行高功率因数校正；当工作在直流电转为交流电的条件下，通过控制策略可以实现低总谐波失真输出。

此三相双向逆变器单一桥臂一共有6种工作模式，如图9和表1所示，其中模式2和模式5为SiC MOSFET的体二极管工作，由于该寄生体二极管具有较小的Qrr和trr，所以可设定较小的死区时间，在该项目中死区时间设定为300 ns，便于损耗的减小和频率的提升。另外，SiC MOSFET工作在第1和第3象限中，省略了传统桥式逆变电路中的反并联二极管。

图8　SiC MOSFET 20 kW三相双向逆变器实验样机和实验平台Fig.8 Prototype of SiC MOSFET 20 kW three-phase bi-directional inverter and its testing platform

3.2逆变器样机效率测试

对该20 kVA实验样机进行了整机效率测试，测试结果如图10所示，其中效率测试包含有12 W风扇和供电辅助电源的损耗。在600 V直流输入、60 kHz频率时最高效率接近99%，欧洲标准效率测试结果达到98.4%。与传统三电平IGBT方案相比（IGBT方案典型最高效率在98.6%），效率得到明显提升。

图9　碳化硅MOSFET 20 kVA三相双向逆变器6种工作模态Fig.9 Six operation modes of SiC MOSFET 20 kVA three-phase bi-directional inverter

表1　SiC MOSFET三相双向逆变器工作模式Tab.1 Operation modes of SiC MOSFET based threephase bi-directional inverter

图10　碳化硅MOSFET 20 kVA三相双向逆变器实测效率Fig.10 Efficiency of SiC MOSFET 20 kVA three-phase bi-directional inverter

图11　SiC MOSFET 20 kVA三相双向逆变器在800 V直流满载下热成像Fig.11 Thermal image of SiC MOSFET 20 kVA threephase bi-directional inverter at DC 800 V full loading

3.3逆变器实验样机温度测试和实验波形

图11在直流800 V电压满载逆变条件下实拍实验样机红外线温度成像。测试过程采用12 W风冷散热器，环境温度为25°C。由图可见，在三相双向逆变式变换器满载工作的条件下，上下桥臂Q1至Q6SiC MOSFET的结温度均小于60°C；而交流侧滤波电感L1、L2和L3的温度均小于65°C；最高温度出现在交流侧共模电感下，温度大约为84°C。

交流侧并网后的电压、电流波形如图12所示。由图可见，虽然采用两电平电路，但由于提高了开关频率，电流的总谐波失真可以控制在5%以内，满足谐波测试标准要求。图13是开关驱动电压Vgs和上下桥臂电压Vds在正半和负半周峰值满载800 V直流下开关频率的测试波形。Vgs驱动开通电压为+18 V，关断为-5 V。上下桥臂死区时间为300 ns，Vds最高尖峰电压控制在1 000 V以内。另外，由图可以看到温度最高的是输出共模电感，这主要是两电平电路较高dv/dt产生的漏电流在共模电感上产生的损耗，是两电平逆变拓扑的缺陷，需要进一步采取措施减小漏电流问题。

图12　在600 V、800 V直流满载并网交流电压和电流波形Fig.12 AC voltage and current waveforms at DC 600 V and DC 800 V full loading

图13　在800 V直流满载开关驱动电压Vgs和上下桥臂Vdc电压波形Fig.13 Vgsvoltage and Vdcvoltage waveforms at 800 Vdcfull loading

4　结语

本文研制了一种三相双向逆变式变换器，功率开关器件全部采用碳化硅MOSFET，它可以将功率开关器件的开关工作频率提高到60 kHz，优化了交流侧滤波电路的设计，实现了更高效率和更高功率密度的工作。由于是两电平技术，电路设计简单、可靠，还可以减小系统的体积和大小，降低成本。20 kVA双向逆变式变换器实验样机在更高开关频率下实现整机最高效率接近于99%，器件温度控制在合理的工作温度下，从而提高可靠性和寿命，为三相双向逆变器简化带来可能。

［1］C2M0025120D规格书［OL］.美国：Cree InC，［2015-10］http：//www.cree.com.

［2］C2M0080120D规格书［OL］.美国：Cree InC，［2015-10］http：// www.cree.com.

［3］Liu J，Wong K L，Kierstead P，et al.Increase efficiency and lower system cost with 100 kHz，10 kW silicon carbide（SiC）interleaved boost circuit design［C］.Power Conversion and Intelligent Motion（PCIM）Europe，2013，5：36-42.

［4］Palmour J，Cheng L，Pala V，et al.Silicon carbide power MOSFETs：breakthrough performance from 900 V up to 15 kV［C］.Proceedings of 26th ISPSD，Hawaii，June，2014：15-19.

［5］Callanan R J，Agarwal A，Burk A，et al.Recent progress in SiC DMOSFETs and JBS diodes at cree［C］.IEEE Industrial Electronics 34th Annual Conference-IECON，2008：2885-2890.

［6］Liu J，Mookken J，Wong K L.Highly efficient and compact ZVS resonant full bridge converter using 1 200 V SiC MOSFETs［C］.Power Conversion and Intelligent Motion（PCIM）Europe，2014，5.

［7］Zhang Q，Callanan R，Das M，et al.SiC power devices for microgrids［J］.IEEE Trans.Power Electronics，2010，25（12）：2889-2896.

［8］Wang Jun，Zhao Tiefu，Li Jun，et al.Characterization，mod

eling，and application of 10 kV SiC MOSFET［J］.Electron Devices，IEEE Transactions on，2008，55（8）：1798-1806.

［9］胡光铖，陈敏，陈烨楠，等.基于SiC MOSFET户用光伏逆变器的效率分析［J］.电源学报，2014，11（6）：53-58. Hu Guangcheng，Chen Min，Chen Yenan，et al.Efficiency analysis of household PV inverter based on SiC MOSFET［J］.Journal of Power Supply，2014，11（6）：53-58（in Chinese）

Study of Three-phase Bi-directional Inverter Based on New Generation 1 200 V Silicon Carbide（SiC）MOSFET

LIU Xuechao（Jimmy）1，HUANG Jianli1，YE Chunxian2
（1.Power and RF Device Department，Cree Hong Kong Limited Hong Kong，China；2.Semiconductor Department，Shenzhen Advantage Power Limited，Shenzhen 518031，China）

In order to simplify the bi-directional topology and increase the overall system power density，in this paper a three-phase bi-directional inverter is proposed with a next generation wide bandgap（WBG）1 200 V silicon carbide （SiC）MOSFET.Thanks to high breakdown voltage and low losses of SiC MOSFET，the inverter topology is simplified and power density is increased with high switching frequency and high system reliability.Meanwhile，the bi-directional SiC MOSFET at third quadrant helps inverter to operate as normal without anti-parallel diode.A 20 kVA three phases bi-directional inverter prototype demonstrates the advantages of SiC MOSFET compared to the conventional Si based IGBT‘s solutions.

silicon carbide（SiC）；wide bandgap（WBG）；bi-directional inverter；anti-parallel diode；the third quadrant

刘学超

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.59

TM919

A

2015-12-24

刘学超 （1977-），男，通信作者，博士，研究方向：电力电子技术及功率半导体应用，E-mail：jim-liu7721@163.net。

黄建立（1978-），男，硕士，研究方向：电力电子功率半导体应用，E-mail：kinlap.wong@wolfspeed.com。

叶春显（1985-），男，本科，研究方向：电力电子功率半导体应用，E-mail：michael.ye@szapl.com。