SiC器件在光伏逆变器中的应用与挑战研究

陈中洪

[摘要]伴随新能源变流器的持续应用发展，其今后发展趋势将以较高的功率密度、可靠高效、低成本等为主。以SiC器件为基础下新能源类型逆变器属于必然的一种选择。我国现阶段已有部分光伏的逆变器内部着手引入SiC器件，并且投放运行，所获取效果比较理想。鉴于此，本文主要探讨光伏逆变器当中SiC器件的应用及其挑战，仅供业内相关人士参考。

[关键词]逆变器；光伏；SiC器件；应用；挑战

前言：

SiC器件，其对于光伏逆变器而言往往属于双刃剑，虽然可获取更多技术优势，但应用过程当中往往还面对着较多技术方面挑战，需要予以充分考虑分析。因而，对光伏逆变器当中SiC器件的应用及其挑战开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1、简述SiC器件

与Si器件相比较起来，SiC器件自身性能提升显著，能够满足于光伏变换装置需求目标。能隙较高，则器件实际漏电流会相对较小，而自身高温层面耐受力会有所增强。SiC器件实际最高结温是225℃，可见，其能耐受的结温高，对整个逆变器而言可起到散热简化方面作用。SiC器件实行冷却方式，可促使散热装置体积、重量均下降，而功率密度逐渐提高，则逆变器实际成本减少[1]。但针对高结温类型器件，其在商业化量产方面会受限于高温封装相关技术。同时，临界场强，则相同耐压条件之下，芯片尺寸相对更小，且导通电阻、结电容实际大小均下降，实际的开关速度随之加快。Si MOSFET器件，其通常呈较大的结电容，且开关频率实际限定范围是100kHz之内；SiC MOSFET运作频率能够提升至＞200kHz。故光伏逆变器实际应用期间，SiCMOSFET能够代替Si IGBT，促使损耗下降，逆变器总体效率提升；开关频率逐渐提升后，直流母线总体电容及其输出的相应滤波电感等所有无源元件实际体积、质量均下降，则系统成本明显降低，但功率密度呈提升趋势。低损耗之下，温度总体循环应力呈下降趋势，器件及其逆变器则更具可靠性，实际的使用寿命可被延长。针对光伏逆变器当中SiC器件应用情况，相比于Si光伏的逆变器而言，SiC器件应用之下光伏的逆变器总体效率提升约1%~2%，且功率密度提升约10倍。

2、光伏逆变器当中SiC器件的应用及其挑战

2.1在开关振荡方面

针对SiC MOSFET器件而言，其开关速度相对较快，du/dt、di/dt相对较大，十分敏感于寄生参数。现场封装操作，致使电容等效相应串联及其寄生电感产生，现场总体布线会致使寄生电感产生，在和器件自身的结电容及所输出的滤波电感等效电容，就此会形成相应的谐振回路。针对双脉冲类型测试电路，选取SiCSCS220KG二极管的器件、SiC MOSFET器件SCH0280KE。Si C MOSFET落实开关操作期间，电压、电流过冲会比较强烈，会威胁着器件总体安全，器件往往只能够处于降额运行这种状态之中，致使器件及其逆变器实际成本增加。所以，对低寄生这种类型电感整个SiC器件，开展封装及其低寄生电感的母线、电容相关设计工作是一大挑战。

2.2在串扰方面

对于光伏的逆变器，通常实行半桥电路，对桥臂当中SiCMOSFET器件可维持着互补导通的运行状态。整个器件实际开关速度相对较快，du/dt较高，经由器件米勒电容，促使耦合干扰逐渐形成，甚至桥臂直通情况会出现,如针对SCH2080KE，并联着栅及其源电容、适当增加相应的驱动电阻及二极管及时关断等手段，有效抑制串扰，但器件总体开关速度随着下降。选取栅极的负偏压法，有效抑制串扰，但因考虑SiC MOSFET栅氧实际可靠性情况，最小负偏压值往往比较有限，最小通常不可＜-9V[2]。开关器件方面，驱动电路需要对栅源极相应电容开展充发电操作，充放电较快速度情况下，器件呈较快开关操作速度。

2.3在短路耐受力方面

针对SiC器件应用之下光伏的逆变器，往往可能会有源自于直流及交流的相应外部短路存在，所以，SiC器件应当能够耐受于一定短路电流。SiC MOSFET自身短路水平往往比较有限，因温度波动会产生较大变化，对于短路电流现场快速检测及关断保护等各项操作而言是重要的一方面，短路保护现有方案一般是去饱和及共源极的电感辅助方案。针对芯片上面集成电流及温度传感装置方案等，属于今后一方面重要研究及应用发展趋势。

2.4在动静态实际行为温度方面

光伏出力往往呈非平稳性，往往影响着器件结温总体变化。器件行为与结温有密切联系。所以，温度对于器件所产生影响有着一定规律性，且借助器件温敏现有变量，对该逆变器落实状态监测操作。温度之下器件的变化规律，往往涉及静动态基本特性影响因素。静态特性方面，SiC MOSFET自身阈值电压Vth因温升而呈下降趋势，误导通实际风险的发生率会随之增加；导通电阻Rds,on数值温升增加，则导通损耗同样增加。动态特性方面，温度较高之下，器件开关操作过程di/dt、du/dt均会呈增加趋势，针对寄生电感恒定，感应电压和电流增加，误导通及其过冲水平则均增加。极端温度，阈值电压一般是0或呈负电压，所设常闭器件维持常开状态，政策应用则无法实现。对该器件温度实际状态予以监测，光伏的逆变器有着较高可靠性标准及要求，对逆变器总体健康状态应当积极落实相应的密切监测操作，特别是针对器件实时性的结温。对SiC MOSFET不同的电参数受所处温度环境实际变化规律开展相应测试分析之后发现，多种不同的温敏变量及其温度属于拟合关系。

2.5在高温封装方面

对器件实施封装处理，往往是以引出电极、支撑及保护芯片、导出热量等为目的。光伏的逆变器今后对功率密度方面要求高，对散热条件予以简化处理，则器件总体工作结温会升高，封装技术需要更好地适应于较高的温度环境。针对器件应用具体方式，多是分立器件、功率模块。针对光伏的逆变器内部，对siC器件以引线键合为主要形式完成封装处理，这对于封装材料和各项技术工艺而言均是重大挑战，需要逐步攻破这些难点。封装材料，以支撑材料及焊料为主。焊料通常是用于芯片和覆铜板、基板等连接当中。为能够适用于工作结温＞200℃SiC芯片，则对焊料熔点方面有着高要求，焊料处于高温环境当中应当具备较高连接强度性。通常会选取Au88Ge12、Au80Sn20等这些焊料。针对封装工艺，以焊接工艺作为主要侧重点，焊料与其连接层应当确立高强度相应键合力。常用的技术工艺包含纳米银的烧结处理、高温环境实施回流焊处理、瞬态液的相性烧结处理等。但相比较之下，瞬态液相性烧结技术更具优势性，处于较低温度及气体压力条件之下，可以促使Sn/Cu整个反应系统的金属熔化，且与不同的各个材料层密切连接好，此工艺有突出的低温焊接、高温服役操作能力，成本低，可开展大规模地加工作业，属于SiC器件应用至光伏的逆变器当中高温封装处于重大挑战，更是重要的应用发展趋势。

3、结语

综上所述，SiC器件应用至光伏逆变器当中，针对开关振荡、串扰、短路耐受力、动静态行为温度的依赖性、高温封装各个方面存在着较大挑战，需要结合具体情况及需求予以科学合理地应用，以确保SiC器件可以更加充分有效地应用至光伏的逆变器当中。

参考文献：

[1]乔辉,高树国,张志刚,等.基于SiC器件的高压光伏中央逆变器研制[J].电力电子技术,2022,56(10):104-107.

[2]邓隐北,孙培淦,王光红.采用SiC器件的高效率光伏发电用功率调节器的开发[J].磁性元件与电源,2018(005):162-166.