采用碳化硅器件的高效率光伏逆變器研究

潘三博，郝夏斐

（安陽師范學(xué)院，安陽 455002）

采用碳化硅器件的高效率光伏逆變器研究

潘三博，郝夏斐

（安陽師范學(xué)院，安陽 455002）

0 引言

隨著能源的枯竭與應(yīng)對溫室效益的需要，光伏等可再生能源的應(yīng)用日趨重要。為更加高效地利用新能源，光伏逆變器的技術(shù)發(fā)展趨勢是提高效率，減小體積與重量，提高可靠性。而碳化硅半導(dǎo)體器件具有禁帶寬、耐壓高、通態(tài)電阻低、漏電流小、開關(guān)速度高、電流密度高、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，這決定了它在高可靠性、高頻率、高效率的應(yīng)用場合是理想的下一代電力電子器件[1]。近年來，國內(nèi)外對碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管在光伏逆變器的應(yīng)用開展了探索性的研究[2]。

本文首先討論了碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率器件驅(qū)動(dòng)電路特性與驅(qū)動(dòng)波形。然后對碳化硅光伏逆變器的損耗進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試，對比了分別采用碳化硅新型器件與常規(guī)的硅IGBT模塊的光伏逆變器的效率。結(jié)果驗(yàn)證了采用碳化硅器件的光伏逆變器能有效提高逆變器的效率，并且提高開關(guān)頻率，這對于發(fā)展體積小、重量輕、效率高的下一代光伏逆變器具有積極的影響。

1 器件的工作特性和效率分析

圖1為光伏逆變器主電路，其中開關(guān)器件J1～J6均采用碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管。光伏逆變器的一個(gè)重要指標(biāo)就是效率，逆變器的損耗主要分為導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗與開關(guān)損耗。碳化硅新型器件的漏電流較小，器件的關(guān)斷損耗通?？梢院雎裕话阒环治鰧?dǎo)通損耗與開關(guān)損耗。下面從碳化硅器件的使用及逆變器損耗方面進(jìn)行研究。

1.1 碳化硅器件的工作特性

圖1 采用碳化硅器件的光伏逆變器主電路圖

圖2為碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的驅(qū)動(dòng)電路簡圖。碳化硅結(jié)型場效應(yīng)是“常通”型器件[3]，即，不加?xùn)艠O電壓時(shí)，器件是開通狀態(tài)， 柵極加負(fù)壓才能使得器件關(guān)斷，這就需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，把從控制器來的控制信號5V高電平信號轉(zhuǎn)化為0V，來開通碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管。把從控制器來的0V低電平信號轉(zhuǎn)化為-24V，來有效關(guān)斷碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管。同時(shí)，因?yàn)樘蓟杵骷拈_關(guān)速度很快，達(dá)到40kv/μs，所以要用高速光耦作為隔離元件。為快速驅(qū)動(dòng)器件的開通與關(guān)斷，采用了圖2中Tr1與Tr2的圖騰柱輸出，使器件最大驅(qū)動(dòng)電流能力達(dá)到6A。選擇合適的輸出阻抗可以減小器件高速開關(guān)所帶來的震蕩。圖3為在時(shí)間軸上放大后的器件驅(qū)動(dòng)電壓波形，實(shí)際上整個(gè)過稱只數(shù)十納秒。器件在關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為較大的負(fù)壓，開通時(shí)，Vgs上升，其中圖中t1到t2時(shí)刻為米勒效應(yīng)時(shí)間。大的驅(qū)動(dòng)電流能有效減少米勒效應(yīng)時(shí)間，提高開關(guān)速度。過了米勒區(qū)，電壓很快上升到器件的開通電壓。

圖2 碳化硅功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路簡圖

圖3 碳化硅器件驅(qū)動(dòng)電壓波形

1.2 導(dǎo)通損耗

圖4為逆變器的輸出電壓，電流相位圖。其中，α是電流的相位角。θ是電壓，電流的相位差。

圖4 輸出電壓、電流波形圖

設(shè)m是調(diào)制比，IM為電流幅值，Rs(on)、Rd(on)分別為開關(guān)管、二極管通態(tài)壓降，對于高頻光伏逆變器等調(diào)制波與載波比較大的PWM波形來說，開關(guān)管與反并聯(lián)二極管的占空比Ds、Dd分別為：

任意α角度時(shí)，開關(guān)管與二極管的導(dǎo)通損耗分別為：

式（2）中，開關(guān)器件與二極管的導(dǎo)通壓降分別為：

因?yàn)槊總€(gè)器件的平均導(dǎo)通時(shí)間是開關(guān)周期的一半，所以器件的平均功率為：

由（2）-（4）得，光伏逆變器中，碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管與二極管的導(dǎo)通損耗分別為：

1.3 開關(guān)損耗

因?yàn)樘蓟杵骷缀鯖]有反向恢復(fù)的電荷存儲效應(yīng)，因此，幾乎沒有反向恢復(fù)電流，也沒有由反向恢復(fù)電流引起的在開關(guān)管中的導(dǎo)通損耗。而硅開關(guān)器件則有這部分損耗。為方便計(jì)算損耗，假設(shè)電流與電壓在開關(guān)過程中都是線性變化的，則一次關(guān)斷損耗的能量Eoff為：

整個(gè)周期中，平均關(guān)斷損耗[4]為：

同理，可以得出一次開通所需的能量Eon為：

整個(gè)周期中，平均開通損耗為：

1.4 損耗對比分析

把碳化硅模塊以及第5代IGBT模塊的參數(shù)[4]代入（5）、（7）、（9）可以得到在不同的開關(guān)頻率時(shí)，各開關(guān)器件的開關(guān)管導(dǎo)通損耗（PScond）、二極管導(dǎo)通損耗（PDcond）、開關(guān)管開通損耗（PSon）、開關(guān)管關(guān)斷損耗（PSoff）、反向恢復(fù)損耗（PDrr）的損耗對比如表1所示。

表1 碳化硅與硅器件的損耗對比

2 實(shí)驗(yàn)研究

圖5為采用碳化硅器件的光伏逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)參數(shù)：直流電壓540-600V可調(diào)，三相交流輸出線電壓380V，工頻50Hz， 輸出功率從0到1千瓦。選取4組雙路輸出的隔離電源作為碳化硅器件的驅(qū)動(dòng)電源，光伏逆變器的控制采用TMS320F2812處理器，該器件強(qiáng)大的定點(diǎn)計(jì)算能力與豐富的電力電子外設(shè)能很好地滿足實(shí)施控制與應(yīng)用的需要。

圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖

圖6 實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)與輸出電壓波形

從圖6中DSP控制信號與器件的驅(qū)動(dòng)波形可以看出，驅(qū)動(dòng)電路完成了高速的邏輯電平轉(zhuǎn)換。從輸出波形可以看出，光伏逆變器輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)的工頻正弦波。圖7為采用碳化硅器件與第五代硅IGBT模塊的光伏逆變器在不同開關(guān)頻率與不同功率輸出時(shí)的效率對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出，隨著開關(guān)頻率的提高，碳化硅光伏逆變器效率的提升越來越明顯。30kHz時(shí)，碳化硅光伏逆變器效率比硅器件要提高3%以上。

圖7 實(shí)驗(yàn)效率對比圖

3 結(jié)論

本文通過分析碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的工作特性，提出了解決高速開關(guān)以及隔離型帶電平轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)電路。對光伏逆變器的導(dǎo)通損耗、開通損耗和關(guān)斷損耗進(jìn)行了理論分析，用碳化硅器件光伏逆變器樣機(jī)與常規(guī)硅器件光伏逆變器樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳化硅器件光伏逆變器比常規(guī)硅器件光伏逆變器效率高，在30KHz時(shí)，能提高3%以上，驗(yàn)證了碳化硅光伏逆變器的在高頻化與高效率方面的優(yōu)勢。高頻化將實(shí)現(xiàn)碳化硅光伏逆變器的體積小、重量輕、易于安裝，高效率使得光伏發(fā)電裝置整個(gè)效率升高，節(jié)約了資源。同最近德國Fraunhofer太陽能研究所宣布的吻合，碳化硅光伏逆變器將在可再生能源的應(yīng)用中具有良好的前景。

[1]P. Friedrichs. Silicon Carbide power devices - status and upcoming challenges[C]. Proc. European Conference on Power Electronics and Applications, 2007: 1–11.

[2]T. Friedli, S. Round, J.W. Kolar. Design and Performance of a 200-kHz All-SiC JFET Current DC-Link Back-to-Back Converter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2009, 45(5): 1868-1878.

[3]Sanbo Pan, Chris Mi, Tim Lin. Design and Testing of Silicon Carbide JFETs Based Inverter[C]. IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2009: 2556-2560.

[4]潘三博, 潘俊民. 一種新型的零電壓諧振極型逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2006, 26(24): 55-59.

Research of high efficiency solar inverter using SiC devices

PAN San-bo, HAO Xia-fei

采用新型碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的光伏逆變器與采用硅IGBT模塊的傳統(tǒng)光伏逆變器相比，具有開關(guān)頻率高、體積小、效率高的特點(diǎn)。本文對橋式碳化硅模塊的驅(qū)動(dòng)，以及以碳化硅器件組成的單相光伏逆變器的開關(guān)特性、開關(guān)損耗以及效率進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測試，驗(yàn)證了方案的有效性與優(yōu)越性。

碳化硅；結(jié)型場效應(yīng)晶體管；光伏；逆變器

潘三博（1974－），男，湖北孝感人，博士后，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其應(yīng)用。

TN615

A

1009-0134(2011)4(下)-0131-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).38

2010-12-05

河南省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（102102210212）