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隨著清潔能源的發(fā)展步伐日益加快，光伏儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域也呈現(xiàn)出新的活力。特別是隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件--碳化硅(SiC)成為了行業(yè)新寵。這一趨勢(shì)不僅在汽車產(chǎn)業(yè)得到了證實(shí)，SiC MOSFET更是開始在光伏逆變器和工業(yè)電源等多個(gè)領(lǐng)域大放異彩。
光伏逆變器是光伏電站的轉(zhuǎn)換設(shè)備，主要將太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電。隨著光伏產(chǎn)業(yè)邁入“大組件、大逆變器、大跨度支架、大組串”時(shí)代，光伏電站電壓等級(jí)從 1000V 提升至 1500V 及以上，對(duì)功率器件物理性能提出了更高要求，此時(shí) SiC MOSFET 進(jìn)入大眾視野。
SiC MOSFET 器件在光伏逆變器中具有多方面的優(yōu)勢(shì)：
1、高效的能量轉(zhuǎn)換
SiC 材料使 SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻低，傳導(dǎo)電流時(shí)器件能量損耗小，能高效將直流電轉(zhuǎn)為交流電，提升光伏逆變器效率。與相同額定值硅器件相比可減少能量損耗，增加光伏系統(tǒng)發(fā)電量。
SiC MOSFET可實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)切換，開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅基器件，這不僅提高了逆變器的效率，還減少了對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，降低了散熱成本，同時(shí)也有助于提高光伏系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
2、良好的高溫穩(wěn)定性
SiC 材料具有較高的熱導(dǎo)率和耐高溫性能，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作。在光伏逆變器的實(shí)際運(yùn)行中，器件會(huì)產(chǎn)生熱量，特別是在高功率運(yùn)行或環(huán)境溫度較高的情況下，SiC MOSFET 可以正常工作，不會(huì)像硅基器件那樣性能下降明顯。這使得光伏逆變器在高溫環(huán)境下仍能保持較高的可靠性和穩(wěn)定性，減少了因過熱導(dǎo)致的故障和停機(jī)時(shí)間
3、高耐壓能力
具備較高的擊穿電壓，能夠承受光伏系統(tǒng)中較高的直流電壓。在大型光伏電站中，直流母線電壓通常較高，SiC MOSFET 的高耐壓特性可以確保逆變器在高電壓環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，減少因電壓過高導(dǎo)致的器件損壞和故障，提高了系統(tǒng)的安全性。
4、更高的功率密度
由于 SiC MOSFET 的高效、高耐壓和高溫穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，使得在相同的功率輸出下，使用 SiC MOSFET 的逆變器可以設(shè)計(jì)得更加緊湊，體積更小、重量更輕，從而提高了功率密度。這對(duì)于空間有限的光伏電站安裝和維護(hù)非常有利，也降低了系統(tǒng)的運(yùn)輸和安裝成本。
5、快速開關(guān)響應(yīng)
開關(guān)速度快，能夠快速地響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)精確的電力控制。這對(duì)于光伏逆變器的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）非常重要，可以更準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。并且，快速開關(guān)特性使得逆變器可以在更高的頻率下工作，有助于減小逆變器中磁性元件（如變壓器、電感等）的體積和重量。
6、可靠的體二極管性能
SiC MOSFET 的體二極管具有快速恢復(fù)性能，恢復(fù)損耗低。在逆變過程中，體二極管的快速恢復(fù)可以減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的效率。并且，SiC MOSFET 的體二極管正向壓降較高，在逆向并聯(lián)外置二極管時(shí)，不需要串聯(lián)低壓阻斷二極管，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
在光伏發(fā)電應(yīng)用中，雖然以硅基器件為主的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，但它卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。相比于硅基IGBT，SiC MOS更低的導(dǎo)通損耗、更低的開關(guān)損耗、無電流拖尾現(xiàn)象、高開關(guān)速度等優(yōu)點(diǎn)，且可以在高溫等惡劣的環(huán)境中工作，有利于提高光伏逆變器使用壽命。
基于SiC優(yōu)異的性能，SiC在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，伴隨滲透率的進(jìn)一步提升，其有望逐漸替代硅基IGBT在光伏逆變器上的應(yīng)用，主要包括以下方面：
1. 集中式光伏逆變器
同時(shí)，集中式光伏逆變器主逆變電路中，SiC MOSFET 用于將光伏陣列直流電轉(zhuǎn)換為交流電。其低導(dǎo)通電阻、低開關(guān)損特性可提高逆變器轉(zhuǎn)換效率，減少能量損失，增加光伏電站的發(fā)電量。而且，高功率輸出時(shí)優(yōu)勢(shì)更顯著，能滿足集中式光伏逆變器對(duì)大功率轉(zhuǎn)換需求。
2. 組串式光伏逆變器
組串式逆變器用于多個(gè)光伏組串，每個(gè)組串經(jīng)逆變器實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)交流。SiC MOSFET 組成的逆變器功率模塊，開關(guān)頻率高、損耗低，可更精確跟蹤最大功率點(diǎn)（MPPT），提升組串發(fā)電量。高開關(guān)頻率還能減小逆變器中磁性元件（如變壓器、電感等）體積和重量，讓逆變器更緊湊。
組串式逆變器中，SiC MOSFET 開關(guān)快、高溫穩(wěn)定，適應(yīng)不同光照和溫度條件，確保逆變器高效的將直流轉(zhuǎn)換為交流，這對(duì)提高光伏系統(tǒng)整體效率和穩(wěn)定性，尤其在復(fù)雜環(huán)境地區(qū)非常重要。
3. 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)
小型逆變器：如屋頂光伏發(fā)電等分布式應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)逆變器的體積、重量和效率有較高要求。SiC MOSFET 的小尺寸、高效率以及高溫穩(wěn)定性，使其非常適合用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的小型逆變器。在有限的空間內(nèi)，SiC MOSFET 能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電力轉(zhuǎn)換，同時(shí)保證系統(tǒng)的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
智能微電網(wǎng)：在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)組成的智能微電網(wǎng)中，SiC MOSFET 可以用于控制和調(diào)節(jié)電能的流動(dòng)。其快速的開關(guān)響應(yīng)和精確的控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)中電能的靈活調(diào)度和管理，提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。
4. 光伏逆變器的輔助電源
為控制和驅(qū)動(dòng)電路供電：光伏逆變器中的輔助電源負(fù)責(zé)為控制和驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的電力支持。SiC MOSFET 可以在輔助電源中作為開關(guān)器件，提高輔助電源的效率和可靠性。由于輔助電源的功率相對(duì)較小，SiC MOSFET 的高開關(guān)頻率和低損耗特性能夠在小功率應(yīng)用中充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，減少能源浪費(fèi)和熱量產(chǎn)生。
滿足高電壓要求：對(duì)于一些高電壓等級(jí)的光伏逆變器，輔助電源需要承受較高的電壓。SiC MOSFET 具有較高的耐壓能力，能夠滿足輔助電源在高電壓環(huán)境下的工作要求，保證光伏逆變器的正常運(yùn)行。
芯干線應(yīng)市場(chǎng)需求，推出了多款高壓、低導(dǎo)通電阻的SiC MOSFET，包括1200V 75mΩ、1700V 1mΩ以及2000V 24mΩ等型號(hào)，這些產(chǎn)品均可應(yīng)用于光伏逆變器中。
就2000V 24mΩ的器件而言，在常溫（Tc = 25°C）下，其最大工作電流可達(dá)101A，工作結(jié)溫范圍為 - 55°C至175°C，最大耗散功率不超過714W，反向電容為13pF（如圖1所示）。
這些器件已在多家頭部客戶處實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，且獲得了優(yōu)異的性能反饋。
綜上所述，SiC MOSFET 器件應(yīng)用于光伏逆變器時(shí)，主要體現(xiàn)為提升光伏逆變器的性能、效率與可靠性，且滿足光伏行業(yè)對(duì)設(shè)備小型化和高效能的需求。
由此可見，SiC MOSFET在光伏逆變器中的應(yīng)用不僅提升了設(shè)備的性能和效率，還滿足了市場(chǎng)對(duì)設(shè)備小型化和高效能的需求，是光伏逆變器技術(shù)升級(jí)和成本優(yōu)化的重要推動(dòng)力。
相信隨著碳化硅功率器件的持續(xù)優(yōu)化發(fā)展，必然會(huì)為光伏逆變器的性能提升和成本優(yōu)化帶來更多新的機(jī)遇。
