基于SiC器件的高效光伏Boost電路

張波 尤文杰 張恩

摘 ?要：提高DC/DC變換器運行效率對實現(xiàn)MPPT和提高光伏系統(tǒng)的效率尤為重要。采用擾動觀察法，通過Boost電路實現(xiàn)光伏電池的MPPT。用新型的SiC功率半導(dǎo)體器件替代Boost電路中的Si器件，結(jié)合所設(shè)計的適用于SiC MOSFET的驅(qū)動電路以提高Boost電路效率。實驗結(jié)果表明，同樣為2 kW的Boost電路，相同頻率下，全SiC器件比全Si器件效率提高了2%左右;全SiC器件電路的頻率高于全Si器件電路時，前者的效率高于后者，光伏系統(tǒng)的效率也相應(yīng)提高。

關(guān)鍵詞：SiC器件;MPPT;驅(qū)動電路;高效率;光伏發(fā)電

中圖分類號：TM461;TM615 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0044-04

Abstract： Improving the operation efficiency of DC/DC converter is particularly important to realize MPPT and improve the efficiency of photovoltaic system. Using the disturbance observation method， the MPPT of photovoltaic cells is realized through the Boost circuit. A new SiC power semiconductor components are used to replace the Si components in the Boost circuit， combined with the designed drive circuit suitable for SiC MOSFET to improve the efficiency of the Boost circuit. The experimental results show that also for Boost circuit of 2 kW， the efficiency of all SiC components is about 2% higher than that of all Si components at the same frequency; when the frequency of all SiC component circuit is higher than that of all Si component circuit， the efficiency of the former is higher than that of the latter， and the efficiency of photovoltaic system is improved accordingly.

Keywords： SiC component; MPPT; drive circuit; efficient; photovoltaic power generation

0 ?引 ?言

太陽能是清潔的可再生能源，光伏發(fā)電對人類應(yīng)對環(huán)境污染、能源危機以及能源可持續(xù)發(fā)展三大難題意義重大。大多數(shù)情況下，DC/DC變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部分。DC/DC變換器一是將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為所需大小的直流電，二是實現(xiàn)對光伏電池的最大功率點跟蹤以降低系統(tǒng)成本[1]。為此，DC/DC變換器的效率就顯得尤為重要。通過改善變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式來提高效率，這一做法已沒有什么提升的空間，目前研究的熱點是，用SiC等新一代寬禁帶功率器件替代傳統(tǒng)的Si器件，以此提高其效率。

1 ?光伏發(fā)電MPPT技術(shù)

圖1為25 ℃時光伏電池在不同光照強度下的輸出V-P特性，從圖1中可以看出，相同溫度條件下的不同光照強度，光伏電池有且只有一個最大功率點。光伏電池既不是恒流源也不是恒壓源，其輸出電壓隨負(fù)載、光照、溫度等變化而變化，往往不工作在其最大功率點上。讓光伏電池在不同的光照溫度下接不同的負(fù)載都工作在其最大功率點上，這就是所謂的最大功率點跟蹤（MPPT）。在當(dāng)前的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的成本仍然很高，實現(xiàn)MPPT可以有效降低系統(tǒng)成本。然而，實現(xiàn)MPPT的方法就是在太陽能電池和實際負(fù)載之間插入DC/DC變換器，實際負(fù)載和DC/DC變換器合在一起充當(dāng)光伏電池的負(fù)載。根據(jù)光伏電池特性，采用相應(yīng)的控制方式調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比，以使光伏電池外部總的負(fù)載阻抗與其內(nèi)部阻抗相匹配，光伏電池輸出最大功率，工作在其最大功率點上。DC/DC變換器效率很高，實際負(fù)載獲得最大功率。DC/DC變換器輸出可直接給直流負(fù)載供電，給蓄電池充電，也可經(jīng)過逆變器后給交流負(fù)載供電或?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。有的逆變器帶有MPPT功能，直接由光伏電池供電，但這種逆變器的控制過于復(fù)雜，所以很少采用[2]。

DC/DC變換器有很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，理論上來說都能用于實現(xiàn)光伏電池的MPPT。Boost電路相較于其他DC/DC變換電路有很多優(yōu)點：（1）電路結(jié)構(gòu)簡單。只有一個可控的功率開關(guān)管且功率管接地，方便驅(qū)動電路設(shè)計;（2）升壓拓?fù)渥鳛檩斎氲墓夥姵卮B線路絕緣要求相對低;（3）輸入電流連續(xù)。如果電感足夠大就可以使直流輸入電源的電流波動小，這對實現(xiàn)光伏電池的MPPT很有利。因此，大都采用Boost電路來實現(xiàn)光伏電池MPPT。Boost電路如圖2所示。根據(jù)光伏電池特性，實現(xiàn)其MPPT的控制方法有：恒壓法、擾動觀察法、功率回授法、增量電導(dǎo)法、滯環(huán)比較法、最優(yōu)梯度法、模糊邏輯控制法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等[3]。擾動觀察法的依據(jù)是光伏電池特性曲線最大功率點左側(cè)輸出功率隨輸出電壓的增加而增加，右側(cè)輸出功率則隨輸出電壓的增加而減小。測量光伏電池輸出功率，改變占空比后測量其輸出功率并和前次輸出功率相比較，如果比前次大就在相同的方向改變占空比，使下次光伏電池輸出電壓和本次同樣變化（同樣增加或同樣減?。粗透淖償_動方向。這樣穩(wěn)態(tài)時能工作在光伏電池最大功率點附近。恒壓法易于控制（不考慮溫度的影響），其他控制方法或多或少都有不足之處，控制復(fù)雜，不成熟。

2 ?SiC功率器件

光伏發(fā)電中采用DC/DC變換器實現(xiàn)MPPT，其中DC/DC變換器的效率尤其重要。如果DC/DC變換器的效率過低，光伏電池輸出功率在DC/DC變換器就會消耗很多，這種情況下MPPT就失去了意義。采用傳統(tǒng)方式改進(jìn)控制方法，如通過采用軟開關(guān)技術(shù)、改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方式提高變換器效率已被廣泛研究，技術(shù)相對成熟，已無多少潛力可挖。比較新穎的方式是采用SiC等寬禁帶半導(dǎo)體器件替代傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體功率器件。SiC等寬禁帶半導(dǎo)體器件被視為新一代電力電子功率器件，是當(dāng)下研究的熱點。

SiC材料禁帶寬度為3.26 eV，Si材料禁帶寬度為1.12 eV。SiC材料有較大的禁帶寬度，漏電流小，因此SiC器件可以承受更高的工作溫度，其工作溫度是Si材料的1.5～2倍，理論上其最高工作溫度接近600 ℃，同時SiC熱傳導(dǎo)率也比硅材料好很多。SiC材料臨界場強為3 MV/cm，Si材料臨界場強為0.3 MV/cm[4]。SiC材料臨界場強高，因此，SiC器件的耐壓性較高，在相同的器件結(jié)構(gòu)下可以承受更高的電壓。目前，1 700 V的SiC MOSFET已推向市場，而Si MOSFET的最高耐壓在1 000 V左右;臨界場強高意味著在相同的耐壓情況下，芯片的尺寸可以做得更小，因此，其導(dǎo)通電阻就可以更小，SiC材料導(dǎo)通電阻是Si材料的1/3～1/5，同時還能降低結(jié)電容大小。

目前推向市場的SiC器件主要有二極管和MOSFET。SiC二極管有PIN二極管和SBD二極管兩種。PIN二極管的優(yōu)勢在于電壓等級高，SBD突破了Si材料SBD耐壓低的局限，用SiC SBD替代Si FRD，反向恢復(fù)電流小很多，可提高開關(guān)頻率，大幅降低開關(guān)損耗。MOSFET結(jié)電容越小，其開通和關(guān)斷速度就越快（SiC MOSFET開關(guān)速度是Si MOSFET的3～5倍），開關(guān)損耗也就更小。SiC MOSFET的門極電荷和器件寄生電容較低，工作頻率可達(dá)200 kHz以上，甚至可達(dá)到數(shù)MHz[5]。因此，與傳統(tǒng)Si材料的MOSFET相比，SiC MOSFET在耐壓、開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、工作頻率、工作溫度和散熱等方面優(yōu)勢明顯，極大地提升了MOS管的性能，并且能在很多場合下替代IGBT并獲得更佳的性能。相對于Si IGBT，其在開關(guān)頻率、開關(guān)損耗和工作溫度上有明顯的優(yōu)勢。

3 ?采用SiC器件的Boost電路

3.1 ?Boost電路主要器件選擇

Boost電路主功率開關(guān)管上的電壓為輸入電壓和電感電壓之和（也可將其視為輸出電壓。Boost電路具有MPPT功能，主要是對輸入端光伏電池的輸出采樣進(jìn)行控制，同時為了系統(tǒng)安全限定其最高輸出電壓。本設(shè)計中Boost電路的輸入電壓為200 V，功率為2 kW，Boost最高輸出電壓限定在700 V。在進(jìn)行MPPT控制時，Boost電路輸出電壓超過700 V時不再進(jìn)行MPPT控制，而是在輸出電壓不超過700 V的前提下使光伏電池輸出功率盡可能大。功率半導(dǎo)體器件大都選用SiC器件。選取器件時要適當(dāng)?shù)亓舫鲆恍┯嗔?。功率開關(guān)管選用IMW120R060M1H的SiC MOSFET，其電壓定額UDS=1 200 V，電流定額ID=36 A，通態(tài)漏源間等效電阻RDS（on）=60 mΩ，開啟電壓UGS（th）=4.5 V，UGS（th）會隨溫度的升高而下降。二極管選用DH20G120C5的SiC SBD，其電壓定額UDC=1 200 V，電流定額IF=20 A。同樣條件下，電路工作頻率越高，功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗就越大，頻率過高時變換器的效率會隨其升高而下降，但提高開關(guān)頻率可以減小電感電容的大小，減小DC/DC變換器的重量和體積。設(shè)計電路時根據(jù)需求選擇相應(yīng)的頻率。

設(shè)計的Boost電路為光伏發(fā)電系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，帶有MPPT功能。光伏電池輸出為Boost電路的輸入，Boost電路輸出接蓄電池或逆變器。Boost電路不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）一般適用于小功率場合，通常情況下連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）要比不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）效率高。因此設(shè)計的Boost電路工作于CCM狀態(tài)。MPPT控制采用擾動觀察法，硬件上以STM32F103C8T6單片機為核心來實現(xiàn)：

連續(xù)導(dǎo)電模式下可按照公式（1）計算所電感大小。其中Uin，Iin分別為Boost電路輸入電壓和輸入電流，f為Boost電路工作頻率，D為Boost電路占空比。

3.2 ?SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計

SiC MOS管性能卓越，但必須要有與之配套的驅(qū)動電路，否則其優(yōu)良的性能無法體現(xiàn)出來[6]。圖3為所選型號SiC MOSFET的輸出特性曲線。從特性典線上可以看出，MOS管在可調(diào)電阻區(qū)間內(nèi)驅(qū)動電壓越高，MOS導(dǎo)通電阻RDS（on）越小，驅(qū)動電壓較低時，同樣條件下RDS（on）會增加很多。驅(qū)動電壓低時，SiC MOSFET導(dǎo)通電阻小的優(yōu)點體現(xiàn)不出來。驅(qū)動SiC MOSFET導(dǎo)通時，盡可能提高驅(qū)動電壓以使MOS導(dǎo)通電阻盡可能小，從而減小導(dǎo)通損耗。SiC MOSFET開啟電壓不高，結(jié)電容較小，因此，為了防止誤導(dǎo)通以及加快關(guān)斷速度，通常在驅(qū)動其關(guān)斷時采用負(fù)電壓。IMW120R060M1的Datasheet顯示，驅(qū)動電壓最大范圍為-7 V～+23 V。本次設(shè)計的驅(qū)動電路高低電平分別取+18 V和-5 V。

場控型器件MOS管柵源間的輸入阻抗很高，在其導(dǎo)通和斷開的穩(wěn)定狀態(tài)下所需驅(qū)動功率極小。但MOS管開通過程和關(guān)斷過程是柵源間輸入電容Ciss充電和放電的過程，需要一定的功率。驅(qū)動功率小就會增加MOS管開通和關(guān)斷時間，增加MOS管的開關(guān)損耗。SiC MOSFET所需的峰值驅(qū)動電流可按公式（2）計算：

公式中QG為總柵極電荷，td（on）為開通延遲時間，tr為上升時間，具體數(shù)據(jù)都可以在器件Datasheet中查出來。經(jīng)計算，峰值驅(qū)動電流約為2.45 A。

驅(qū)動信號由實現(xiàn)MPPT的控制核心單片機STM32F--103C8T6產(chǎn)生。驅(qū)動電路如圖4所示。驅(qū)動電路以英飛凌公司專用芯片1EDC40I12AH為核心。圖中芯片左側(cè)（包括VCC1、GND1、IN+、和IN-）為輸入部分，右側(cè)為輸出部分，芯片內(nèi)部實現(xiàn)輸入與輸出的隔離。輸入側(cè)VCC1的供電電壓范圍為3 V～15 V，可與微處理器共用電源，IN+引腳接收來自單片機的PWM信號。輸出部分VCC2和GND2可以單電源供電，也可雙電源供電。此處VCC2接+18 V電源，GND2接-5 V電源，雙電源供電。OUT+和OUT-輸出電壓幾乎分別等于VCC2和GND2外接電源，芯片具有功率放大功能，峰值電流都在4 A以上。光伏電池經(jīng)一單端反激式電路為控制和驅(qū)動部分供電。該芯片信號延遲和濾波時間短，開關(guān)頻率在1 MHz以上。MOS管柵級驅(qū)動電阻越小，驅(qū)動速度越快，但驅(qū)動電阻過小會引起振蕩甚至損壞MOS管。本案中選取的驅(qū)動電阻如圖4所示。

4 ?實驗結(jié)果

實驗中采用可編程直流電源CHROMA62150H60--0S來模擬太陽能電池，方便實驗時輸入功率調(diào)節(jié)和保證實驗中輸入的一致性。模擬的光伏電池最大功率點工作電壓為200 V，Boost電路輸出接蓄電池。環(huán)境溫度25 ℃。因Si材料MOSFET耐壓不高而未選用。這里選取型號為IKW40N120H3（1 200 V，40 A）的Si IGBT和型號為IDB18E120（1 200 V，18 A）的Si FRD進(jìn)行對比。Si IGBT在50 kHz時效率偏低，所以設(shè)計的全SiC器件Boost電路和傳統(tǒng)的全Si器件Boost電路對比時工作頻率定為20 kHz，對比的兩電路的主電路除半導(dǎo)體器件不同外其他都相同。

測試結(jié)果如圖5所示，圖5中縱坐標(biāo)為Boost電路效率，橫坐標(biāo)為Boost電路輸出功率。圖5中（1）（3）兩條曲線分別對應(yīng)工作頻率20 kHz時全Si器件、全SiC器件的功率效率曲線，曲線（2）是所設(shè)計的全SiC器件工作頻率50 kHz時的功率效率曲線。從曲線中可以看出20 kHz時，全SiC器件效率比全Si器件提高了大約2個百分點。IGBT通態(tài)時管壓降隨負(fù)載變化不大，而MOS管通態(tài)時呈電阻特性，其管壓降隨電流增加而增加，SiC MOSFET通態(tài)電阻RDS（on）很小，所以輕載時全SiC器件電路效率提高很多。隨著頻率增加開關(guān)損耗增加，效率下降，但工作頻率50 kHz時全SiC器件效率仍高于工作頻率20 kHz時的全Si器件。實現(xiàn)MPPT的DC/DC變換器效率越高，MPPT的效果就越好，光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率就越高。

5 ?結(jié) ?論

作為新一代電力電子器件，SiC器件在開關(guān)頻率、開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、工作溫度和散熱等方面都有很大優(yōu)勢，將逐步替代傳統(tǒng)的Si器件。采用基于SiC器件的Boost電路能顯著提高變換器的效率，使MPPT的效果更加優(yōu)良，可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)成本，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中有很大的推廣價值。

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作者簡介：張波（1979—），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，高級工程師，碩士，主要研究方向：電力電子技術(shù)。