物联网太阳能在光伏应用宽带隙器件中的作用

光伏系统的增强与功率半导体器件的进步密切相关。传统的硅基功率器件在满足电动汽车、光伏系统和其他高功率要求等各种应用的市场需求方面面临着挑战。目前，功率器件具有更高的效率、更高的功率密度、更高的阻断电压、更高的开关频率、更低的成本和更高的可靠性。

为了满足这些要求，基于碳化硅和氮化镓等宽带隙半导体的电力电子器件的探索正在获得巨大的普及和兴趣。这些 WBG 半导体最近的商业化被认为会带来电力电子行业的变革，因为新的和改进的硅器件在 135°C 的最高结温、开关频率、击穿电压和功率密度方面遇到了限制。

碳化硅器件由于其更高的击穿电场而提供更小的体积和更高的效率或两者的结合。与传统硅开关相比，这使得能够使用 3L-BS NPC 拓扑而不是 3L-DNPC 拓扑来开发具有卓越电压阻断能力的开关，以充分利用 SiC 器件的优势。光伏逆变器公司已经开始生产基于 3L-BS NPC 拓扑和 SiC 器件的转换器，以实现更高的效率。

为了降低光伏系统的成本，采用硅栅双极晶体管和中性点钳位的转换器已实现 98.5% 的市场领先效率，令人印象深刻。然而，与硅基替代方案相比，其缺点在于其成本相对较高，硅基替代方案涉及使用分离电容器返回 2L 全桥，旨在保持相当的效率，同时降低总体成本。此外，评估与两种光伏逆变器拓扑相关的效率、热负载分布和成本并深入了解每种方法的权衡和优势也很重要。下图 1 显示了当前商业市场中利用和集成 SiC 和 GaN 功率器件的各种应用。

探索宽带隙器件在光伏逆变器系统中的深入分析与应用

目前的技术状态已经达到了硅的最大潜力和发展水平，几乎相当于其理论成熟度，因此新时代的宽带隙器件正在寻求取代这些传统的和过时的硅基器件。宽带隙器件表现出优异的电热性能，被认为在某些应用中是硅的潜在替代品。与硅基器件相比，它们的优势包括能够在更高的温度水平下运行而不影响电气特性，而这只有通过更宽的带隙才能实现。

 

由于具有优异的电击穿场，WBG 器件还具有更高的击穿电压，从而可以使用更薄的半导体芯片，从而降低导通电阻并减少传导损耗。此外，尽管氮化镓被证明是一个例外，但通过增强导热性可以实现更高的功率密度。尽管具有这些优越的优势，但仍然存在挑战和障碍，例如当前高温封装技术所施加的限制，阻碍了宽带隙半导体的充分利用。这些限制包括需要功率密度为 1000 W/cm² 且温度超过 300°C 的封装，而当前技术仅提供 280 W/cm² 且最高温度低于 125°C。

 

此外，商业化的碳化硅器件的短路能力落后于硅基器件，这促使人们不断进行研究以增强这方面的能力。尽管面临这些挑战，该技术多年来已经成熟，SiC 二极管的商业化已有十多年，并且在过去 3-4 年推出了各种 SiC 开关。而且，随着低压GaN器件进入市场，宽带隙器件的范围非常广泛。

 

电力电子在促进光伏系统与电网的整合方面发挥着关键作用。图 3 展示了一个典型的并网光伏系统，包括电压源逆变器、升降压 DC-DC 转换器、光伏组串和输出 LCL 滤波器等组件。是否包含 DC-DC 转换器级的决定主要取决于光伏系统的功率输出。此外，图 3 概述了实现预期系统功能所需的基本控制块。

 

鉴于太阳能发电技术的高成本，高效逆变器的使用成为一项关键要求。在硅基逆变器领域，由于开关损耗，开关频率通常限制在 16 kHz，从而导致冷却和磁性要求更高。为了提高光伏系统的效率，许多硅基光伏逆变器解决方案已转向3L结构，效率高达98%。这主要归功于 600V Si IGBT 或 MOSFET 的低开关损耗以及滤波器中磁芯损耗的降低。

目前的硅技术已达到理论成熟度，促使人们探索宽禁带器件，因其具有优异的电热性能，将其作为潜在的替代品。这些器件可以在更高的温度下工作，而不会影响电气特性，这主要是因为它们的带隙更宽。尽管存在挑战，例如高温封装技术的限制，WBG 器件还提供更高的击穿电压、更薄的半导体芯片和增强的导热性。尽管存在障碍，WBG 技术多年来已经成熟，碳化硅二极管的商业化已有十多年，并且近年来推出了各种 SiC 开关。低压氮化镓器件的进入市场进一步扩大了WBG器件的范围。在电力电子领域，半导体器件，特别是 SiC 和 GaN 等宽带隙器件的进步发挥着至关重要的作用。

 

传统的硅基器件在满足电动汽车和光伏系统等应用的市场需求方面面临挑战。SiC 和 GaN 半导体最近的商业化预计将改变电力电子行业，解决硅器件面临的限制。尤其是 SiC 器件，可以提供更高的效率和功率密度，从而可以开发具有卓越电压阻断能力的转换器。光伏逆变器公司已经在其产品中采用 SiC 器件以实现更高的效率。

 

虽然利用硅栅双极晶体管和中性点钳位的转换器已经实现了令人印象深刻的效率，但成本考虑推动了对替代拓扑的探索，例如带有分离电容器的 2L 全桥。评估与不同光伏逆变器拓扑相关的效率、热负荷分布和成本对于了解权衡和优势至关重要。