碳化硅模块在太阳能逆变器中的应用

太阳能发电作为未来地球能源需求的一部分，受到政府与业界的共同推崇；采用率正不断攀升——在美国， 2022年太阳能发电占总发电量的3.4%，即1,410亿千瓦时，相比2015年的0.6%呈现显著增长^[1]。尽管太阳能的应用规模还无法独占鳌头一风能及其它可再生能源和核能仍将在能源领域占有一席之地;但理论上，仅需在得克萨斯州100英里*100英里(约占该州总面积的3.7%)面积的土地上覆盖光伏(PV)板，即可满足全美电力需求。

Mike Zhu(Qorvo应用工程师)

1光伏装置的模块化安装

光伏装置规模各异，从仅为家庭微电网提供数百瓦电力的小型电源， 大到可产出数干兆瓦功率的公用事业级装置。几乎所有情况下，太阳能板产生的直流电都需要转换成标准交流线路电压，以便与现有负载兼容或并网。通常，面板直流电通过最大功率点跟踪(MPPT)控制器升压至直流链路；直流链路上的可选电池保证供电连续性，而逆变器(通常为双向)则生成线路交流电(如图1所示)。

图1 太阳能发电系统安装示意图

由于太阳能阵列涉及的功率等级广泛，因此通常将带有独立逆变器的面板“ 串联”，并将输出并联；而非采用单一的高功率中央逆变器。尽管使用多个小型逆变器可能会增加硬件总成本，但它们具有可扩展性和容错性的优势，且无需重型吊装设备即可部署。目前，市场上最大的需求集中在几千瓦(kW )至约200干瓦的逆变器，直流链路电压在600V至1,500V之间。

对于较高功率等级，升压转换器和逆变器的半导体开关传统上采用IGBT，多千瓦级应用则使用硅基宽带隙的碳化硅(SiC)开关成为考虑对象。这些开关通常可达1,700 V的额定电压，具有低导通电阻，可实通常可达1,700 V的额定电压，具有低导通电阻，可实现最小的传导损耗，并能在高频下切换，动态损耗低。这使得磁体可以更小，进而缩减整个系统的尺寸、成本和重量。

作为一种宽带隙技术，SiC不仅提供高电压阻断能力，还极大降低了来自地面中子或宇宙射线导致故障的风险，这对于太阳能系统的可靠性至关重要。

尽管如此，高功率应用中SiC MOSFET的导通电阻R_DS(ON)仍是一大限制因素;因为与IGBT近乎线性的增加情况不同，其功率耗散随电流的“平方”增长，且温度升高会还带来另一个乘数效应。但是，考虑到包括开SiC作为一种半导体材料，热导率是硅的三倍，能够更SiC作为一种半导体材料，热导率是硅的三倍，能够更快地将热量从结点排出。

2SiC FET相比SiC MOSFET在性能上的提升

Qorvo^[2]首创的SiC FET在多个方面优于SiC结构进一步降低导通电阻R_DS(ON)， 并应用先进的银烧结结构进一步降低导通电阻R_DS(ON)， 并应用先进的银烧结裸片粘贴技术改善热性能，将开关结温控制在合理范围内。这种SiC JFET与硅基MOSFET的共源共栅组合(如图2所示) ，传导和开关损耗等品质因数(FOM)表现出色，与同类电压等级的竞品技术相比更胜一筹。同时，SiC FET通常为常闭状态，具有简单的非关键栅极驱动，典型驱动电压为0-12 V,阈值电压稳定在约5 V。相比压才能实现完全增强;这一电压值非常接近其绝对最大压才能实现完全增强；这一电压值非常接近其绝对最大如带有电感负载的开关死区期间，SiC MOSFET内的体如带有电感负载的开关死区期间，SiC MOSFET内的体二极管会导通，导致电荷恢复和前向导通功率损耗。然而，SiC FET的速度与SiC MOSFET不相上下，但具有更低的体二极管正向压降，有助于提高效率。此外，总栅极电荷、输出电容和开关能量等其它参数也优于SiC MOSFET。

图2 SiC FET共源共栅结构布置

3 SiC FET E1B模块现已上市

此前，SiC FET一直以TO—247、TO—220、TO—263、TOLL等多种分立封装形式出现，并已应用于高达数十千瓦功率的场合。在APEC 2024上，Qorvo近日宣布推出了一系列采用行业标准的E1B模块形式产品，旨在满足太阳能升压DC/DC转换器、DC/AC 逆变器，以及电动汽车( EV )充电器和通用工业AC/DC等市场的需求(如图3所示)。

图3 面向SiC FET的E1B模块封装

额定电压1200V的半桥模块集成了两个SiC FET和一个温度传感器，R_DS(ON)值分别为19亳欧和9.4亳欧；在25°C壳温下额定最大连续电流分别为69A和100A。全桥模块包含四个SiC FET和一个温度传感器，R_DS(ON)值分别为70亳欧和35毫欧，25。C壳温下的额定电流分别为24A和36A。模块内部芯片的紧密集成有利于严格控制EMI,并可在高频运行，不受多个分立器件互连限制和变化的影响。这种集成极大地简化了热机械设计和组装过程，同时有助于降低系统开发风险并缩短开发周期。图4展示了E1B模块在太阳能升压转换器和逆变器中的潜在应用。

图4 太阳能转换应用中的SiC FET E1B模块

4 性能指标

在宽带隙器件和传统硅器件中，siCFET针对给定裸片面积R_DS(ON)下的导通电阻，以及输出电容R_DS(ON)和相关开关能量R_DS(ON)方面展现了最佳的品质因数(FOM)。重要的是，这些品质因数在125° C和25° C条件下也仍优于竞品器件。这意味着在任何软开关或硬开关应用中，SiC FET都结合了低传导损耗和低开关损耗的优势；且在实际工作温度范围内，相比于相同电压等级的器件，总体上具备更卓越的性能表现。

其中，SiC FET EIB模块的表现更佳；其采用银烧结裸片粘贴技术实现了先进的热管理，热导率高达130-250W/mK，远超传统焊接技术的23—53W/mK。因此，1,200V 100A半桥EIB模块(UHB10OSC12E1BC3N)的结点到外壳热阻仅为0.23° C/W。 对于采用裸片堆叠粘贴(硅基低压MOSFET堆叠在SiC JFET之上)的模块，其功率循环能力比基于SiC MOSFET的模块提高了两倍以上，达到与硅器件相当的性能水平。这是因为在堆叠结构中，承载高电流的源端线键合连接到了刚性较低的硅基MOSFET上，从而减轻了功率循环测试期间的热机械应力。改进的热管理和两倍功率循环能力共同促进产品获得更长使用寿命。

5 利用SiC FET优化效率

功率转换拓扑结构能够以软开关模式操作以最小化动态损耗，但升压转换器在较高功率水平下通常不采用这种方式;这是为了保持连续(电感)导通模式(CCM)，并将电流压力水平控制在可管理范围内。由于采用硬开关，因此必须仔细控制转换过程，以最小化电压和电流重叠造成的动态损耗；这通常借助栅极二极管，通过选择最优的栅极串联电阻以不同的开启和关断值来实现。然而对于siC FET而言，SiC JFET的栅极无法访问；且串联电阻在裸片内部设定，因而不可调节。作为一种替代方案，可以使用小型缓冲器电路，通常仅使用表面贴装尺寸的组件。Qorvo已证明，即使计入缓冲器电路的损耗，这实际上仍是一种损耗更低的解决方案。例如，图5(左)中的测量值显示，相比通过缓冲器电路和栅极电阻控制边沿速率的竞品方案，使用缓冲器电路和Qorvo E1B模块在硬开通转换过程中的能量损耗大约降低了32%。图5(中)显示，在使用缓冲器电路时，采用E1B模块的硬开关转换器在关断转换时的总能量损耗降低了53%，优势更为显著。

图5 采用SiC FET E1B模块和小型缓冲器所带来的效率提升

对于具有软开通转换(零电压开通/ZVS )的转换器，开通损耗几乎为零。在这种情况下，缓冲电容的能量在ZVS过程中被回收,对硬开关开通事件中观察到的开通损耗没有额外损失。右侧图表显示了软开关ZVS转换时关断过程中的能量耗散，表明带有缓冲器的Qorvo部件也具有显著优势;其能量耗散比竞品部件低74%。

因此，动态损耗可控制在同类产品中的最低水平；加之毫欧级别的导通电阻、高能雪崩耐受等级，以及短路承受能力，对于高效太阳能转换器1逆变器设计来说，SiC FET解决方案成为极具吸引力的选择。

Qorvo自家的高性能模拟器QSPICETM以及Qorvo在线FET-Jet计算器^TM[3]均支持E1B SiC FET模块，能够迅速进行部件的评估和比较，并适用于多种拓扑结构。

6 结束语

SiC FET在宽带隙开关的性能方面处于领先地位，如今这些优势已在E1B模块形式中得以实现，从而拓展了其在太阳能发电装置等更高功率应用中的应用范围。低传导和开关损耗的组合使其在同类竞争技术中实现了最高的整体效率，从而节省了能源及冷却成本；同时，先进的裸片粘贴结构和材料技术改进了热设计，保持了较低的内部温升，从而确保了产品的可靠性与使用寿命。

（本文来源于《EEPW》202407）