碳化硅二極管在太陽(yáng)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

碳化硅(SiC)二極管已經(jīng)進(jìn)入迅速擴(kuò)張的太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)，尤其是在歐洲。Cree的1200V SiC肖特基二極管已開(kāi)始用來(lái)取代DC鏈升壓電路所使用的硅(Si)PiN類設(shè)計(jì)，而且將很快出現(xiàn)在商用系統(tǒng)的逆變器領(lǐng)域。
  最近幾年，材料質(zhì)量、尺寸和成本方面的進(jìn)展，使SiC成為功率器件中Si的一種真正可行的替代者。隨著晶圓尺寸的增加，缺陷密度在不斷下降，材料成本也隨之下降，同前較大的功率器件已經(jīng)采用了SiC。該技術(shù)有許多獨(dú)一無(wú)二的特性，使之成為了高壓或高溫操作的一種近乎理想的材料。
  首先，SiC的導(dǎo)熱率足砷化鎵的幾倍，也超過(guò)了Si的三倍。這將可以制造出更高電流密度的器件。另外，SiC的擊穿電場(chǎng)(breakdown field)幾乎是Si擊穿電場(chǎng)的十倍，所以采用SiC的相同設(shè)計(jì)將獲得硅元件十倍的額定擊穿電壓。由于這個(gè)原因，才有可能開(kāi)發(fā)出非常高電壓的肖特基二極管。最后，SiC是一種寬能帶材料，因此，相對(duì)于任何硅器件而言，SiC可在高得多的溫度下工作。圖1所示為SiC、GoAs和Si在導(dǎo)熱率、電場(chǎng)擊穿和能帶隙方面的差異。
  由于上述原因，肖特基二極管成為了沒(méi)有少數(shù)載流子再?gòu)?fù)合，進(jìn)而導(dǎo)致零反向恢復(fù)電流的單極性器件(參考圖2)，不過(guò)，其結(jié)電容電荷非常少。其重要性在于，這種電荷與Si PiN器件同相反向恢復(fù)電荷相比可以忽略不計(jì)，而且它還與溫度、正向電流和開(kāi)關(guān)di/dt(電流隨時(shí)間的變化量)無(wú)關(guān)。這些肖特基二極管還具有零正向恢復(fù)電壓，可以即時(shí)導(dǎo)通。這些開(kāi)關(guān)特性還具有通常被忽略的大幅度降低電磁干擾(EMl)的好處。由于開(kāi)關(guān)必須對(duì)伴隨Si PiN器件的反向恢復(fù)電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這些器件可以消除功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的二極管開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)而大幅度降低與開(kāi)關(guān)有關(guān)的導(dǎo)通損耗。由于這種效率和性能上的提高，SiC肖特基二極管成為了太陽(yáng)能系統(tǒng)的理想解決方案。

圖1 幾種材料的比較

圖2 肖特基二極管與硅等效元件恢復(fù)的對(duì)比

圖2中紅線表示在外殼溫度為25℃、50℃、100℃和150℃時(shí)，Cree的10A 600V肖特基與10A Si等效元件的V_f與I_f器件特性的對(duì)比。SiC器件的溫度是獨(dú)立的，而且沒(méi)有反向恢復(fù)電流。
據(jù)可靠信息估計(jì)，全球能源消費(fèi)的39%為用電。在美國(guó)，預(yù)計(jì)未來(lái)十年能源需求將增加19%，而發(fā)展中國(guó)家的需求增加將更加迅速。歐洲已經(jīng)意識(shí)到了太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)，而一些國(guó)家正在推動(dòng)商業(yè)和個(gè)人使用太陽(yáng)能。由于采用SiC肖特基二極管使整個(gè)系統(tǒng)效率得以提高，許多太陽(yáng)能設(shè)備制造商紛紛開(kāi)始轉(zhuǎn)向這一技術(shù)。
太陽(yáng)能板收集太陽(yáng)能能量，將其轉(zhuǎn)換為正向DC電壓。該電壓隨太陽(yáng)能板上接受的太陽(yáng)光的光強(qiáng)而變化。利用高頻下的升壓式轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)，該電壓可以提升至一個(gè)固定的DC電壓。SiC肖特基二極管可以消除升壓二極管的開(kāi)關(guān)損耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的導(dǎo)通損耗。這將顯著提高升壓電路的效率(參見(jiàn)圖3)。然后，一個(gè)逆變器將固定DC電壓變成固定頻率的可用的AC電壓(歐洲的典型值為220V，50Hz；北美為110V，60Hz)。SiC肖特基二極管可以
消除這部分電路中的續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)可以降低IGBT導(dǎo)通損耗(參見(jiàn)圖4)。逆變器效率也就隨之顯著提高了。

圖3 電路的比較

圖3中，左邊的電路顯示了采用Si PiN二極管、帶緩沖電路的升壓電路。右邊的電路則顯示了采用SiC二極管的升壓電路。沒(méi)有恢復(fù)電流就無(wú)需緩沖電路，使電路變得更加有效。

圖4顯示了一個(gè)采用Si PiN續(xù)流二極管的逆變器與SiC肖特基續(xù)流二極管之間輻射EMI的差異。

圖4 EMI比較

硅基逆變器典型的平均效率接近96%。利用一個(gè)更加有效的系統(tǒng)，太陽(yáng)能板提供的能量可以更有效地轉(zhuǎn)換為可用電能。采用SiC器件，逆變器的平均效率可能提高到97.5%。這相當(dāng)于減少了25%的逆變器損耗?？紤]到太陽(yáng)能系統(tǒng)至少需要工作30年，即意味著在節(jié)約能源方面有相當(dāng)大的改進(jìn)，通過(guò)降低溫度，系統(tǒng)也將具備更高的可靠性。現(xiàn)已上市的太陽(yáng)能系統(tǒng)通常被劃分為兩類，即并網(wǎng)型(gridtied)和離網(wǎng)型(off-grid)。正如其名稱，“并網(wǎng)型”系統(tǒng)是與電網(wǎng)連接的。根據(jù)負(fù)載需求、時(shí)間等不同，終端用戶的電力要么來(lái)自于系統(tǒng)的太陽(yáng)能板，要么來(lái)自于電網(wǎng)。這類系統(tǒng)具備一種計(jì)量能力，來(lái)自太陽(yáng)能系統(tǒng)的電力可以在低需求期間輸送回電網(wǎng)?！半x網(wǎng)型”系統(tǒng)采用獨(dú)立的電池系統(tǒng)，有時(shí)也有一個(gè)備用的發(fā)電機(jī)。太陽(yáng)能板通過(guò)一個(gè)充電控制器對(duì)電池組進(jìn)行充電，電池可以向逆變器提供輸入功率，從而為終端用戶提供電力。
  今天，通常一個(gè)系統(tǒng)的成本大約為每瓦特10美元，所以一個(gè)3kW的系統(tǒng)大約需要3萬(wàn)美元。顯然，一個(gè)更加有效的系統(tǒng)將意味著消費(fèi)者較快可以得到回報(bào)，此外，全球?qū)δ茉吹年P(guān)注正在促進(jìn)可實(shí)現(xiàn)更多優(yōu)勢(shì)的替代能源和碳化硅的應(yīng)用。
  太陽(yáng)能板制造商在繼續(xù)致力于設(shè)計(jì)一種更加有效的產(chǎn)品，其典型的運(yùn)行效率15%-20%。在這個(gè)統(tǒng)計(jì)中，正是升壓式轉(zhuǎn)換器和逆變器對(duì)系統(tǒng)的全面能量效率產(chǎn)生了最大的影響，這就是SiC二極管扮演這種重要角色的原因所在。
  對(duì)用于光電板的更加有效材料的研究開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中。利用更有效的光電板，可以使更小面積的光電板提供高得多的額定功率?；谶@點(diǎn)，SiC二極管制造商應(yīng)該看到其客戶需求方面的改變，即從目前的10Amp-20Amp額定值走向50Amp、100Amp及更高額定電流的器件。

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