單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器(含輸入直流斬波級(jí))的功率半導(dǎo)體器件主要有MOSFET、IGBT、超結(jié)MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。與此相對(duì)的IGBT則開關(guān)速度較慢，但具有較高的電流密度，從而價(jià)格便宜并適用于大電流的應(yīng)用場(chǎng)合。超結(jié)MOSFET介于兩者之間，是一種性能價(jià)格折中的產(chǎn)品，在實(shí)際設(shè)計(jì)中被廣為應(yīng)用。概括地說，選用哪類器件取決于成本、效率的要求并兼顧開關(guān)頻率。

如果要求硬開關(guān)在100kHz以上，一般只有MOSFET能夠勝任。在較低頻段如15kHz，如沒有特殊的效率要求，則選擇IGBT。在此之間的頻率，則取決于設(shè)計(jì)中對(duì)轉(zhuǎn)換效率和成本的具體要求。系統(tǒng)效率和成本之間作為一對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)中將根據(jù)其相應(yīng)關(guān)系對(duì)照目標(biāo)系統(tǒng)要求確定最貼近系統(tǒng)要求的元件型號(hào)。表1為三種半導(dǎo)體開關(guān)器件的功率損耗，為了便于比較，各參數(shù)均以MOSFET情況作歸一化處理，超結(jié)MOSFET工藝目前沒有超過900V的器件。

表1 常用開關(guān)器件的性能與價(jià)格對(duì)照表(所有數(shù)字以MOSFET情況歸一化)

除去以上最典型的三類全控開關(guān)器件，業(yè)界還存在像碳化硅二極管和ESBT等基于新材料和新工藝的產(chǎn)品。它們目前的價(jià)格還比較高，主要應(yīng)用于對(duì)太陽能光伏發(fā)電效率有特殊要求的場(chǎng)合。但隨著生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步和器件單價(jià)的下降，這類器件也將逐步變?yōu)橹髁鳟a(chǎn)品，甚至替代上述的某一類器件。

(1)單相全橋混合器件模塊與三電平混合器件模塊

圖1所示的混合單相全橋功率模塊是專用于光伏單相逆變的產(chǎn)品，配合以單極型調(diào)制方法，每個(gè)橋臂的兩只開關(guān)管分別工作在完全相異開關(guān)頻率范圍。以圖1示為例，上管總是在工頻切換通斷狀態(tài)，而下管總是在脈寬調(diào)制頻率下動(dòng)作。根據(jù)這種工作特點(diǎn)，上管選用相對(duì)便宜的門極溝道型(Trench)IGBT以優(yōu)化通態(tài)損耗，而下管可選擇非穿通型(NPT)IGBT以減少開關(guān)損耗。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但保障了最高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率還降低了整個(gè)逆變?cè)O(shè)備的成本。圖2給出了不同器件搭配的轉(zhuǎn)換效率曲線以印證這種功率模塊的優(yōu)越性?？梢园l(fā)現(xiàn)，這種混合器件配置在不同負(fù)載下能實(shí)現(xiàn)98%以上的轉(zhuǎn)換效率。

在美高森美的三電平逆變模塊中，也引入了混合器件機(jī)制，充分利用兩端器件開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于中間相鄰兩器件。因而APTCV60系列三電平模塊兩端使用超結(jié)MOSFET，中間為IGBT的結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高效率。

(2)ESBT

ESBT是應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一種新型高電壓快速開關(guān)器件，它兼顧了IGBT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，不僅電壓耐量高于MOSFET，而且損耗小于快速IGBT器件。美高森美即將推向市場(chǎng)的ESBT太陽能升壓斬波器模塊，集成了碳化硅二極管和ESBT，面向5kW～205kW的超高效率升壓應(yīng)用。其電壓耐量為1200V，集電極和發(fā)射極間飽和通態(tài)電壓很低(接近1V)，優(yōu)化開關(guān)頻率在30kHz～40kHz之間，可選擇單芯片模塊或雙芯片模塊封裝。實(shí)驗(yàn)表明，這種功率模塊比目前市場(chǎng)上對(duì)應(yīng)的IGBT模塊減少40%的損耗。

根據(jù)6kW的參考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此模塊在50%至滿負(fù)載之間，轉(zhuǎn)換效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6個(gè)百分點(diǎn)。因此，在碳化硅全控器件的價(jià)格下降到可接受的范圍之前，對(duì)于超高效率的太陽能光伏功率變換應(yīng)用，ESBT將是優(yōu)選開關(guān)器件。

用于光伏逆變器的功率器件正朝著高溫、高頻、低功耗、高功率容量以及智能化、系統(tǒng)化方向發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新工藝硅基功率器件正不斷出現(xiàn)并逼近硅材料的理論極限，新材料功率半導(dǎo)體器件正不斷走向成熟?？梢灶A(yù)期，隨著SPIC的不斷發(fā)展，人們期望已久的第二次電子革命將最終到來。