碳化硅肖特基二極管在光伏逆變器的應用

在全球推進清潔與可再生能源的偉大征程中，光伏發(fā)電行業(yè)一路蓬勃發(fā)展。根據(jù)國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年全國太陽能發(fā)電裝機容量同比增長率以28.1%居于發(fā)電行業(yè)首位，累計裝機容量達3.9億千瓦。

在光伏系統(tǒng)中，光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，可將光伏（PV）太陽能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉換為市電頻率交流電（AC），用以反饋回商用輸電系統(tǒng)，或是供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。隨著功率等級的不斷提高，以及整機體積的增加，光伏逆變器對功率器件的規(guī)格和散熱要求也越來越高。相比于傳統(tǒng)硅材料，碳化硅性能更為優(yōu)越，因此碳化硅功率器件在光伏逆變器的使用越來越廣泛。其中，碳化硅肖特基二極管無反向恢復電流，被廣泛應用于光伏逆變器中的MPPT電路中，可顯著減小損耗，優(yōu)化散熱，降低成本。

本文將重點介紹碳化硅材料和碳化硅功率器件在光伏逆變器中的應用優(yōu)勢。

01 碳化硅材料特性及優(yōu)勢介紹

碳化硅作為寬禁帶半導體的代表性材料之一，其材料本征特性與硅材料相比具有諸多優(yōu)勢。以現(xiàn)階段最適合用于做功率半導體的4H型碳化硅材料為例，其禁帶寬度是硅材料的3倍，熱導率是硅材料的3倍，電子飽和漂移速率是硅的2倍，臨界擊穿場強更是硅的10倍。在硅基半導體器件性能已經(jīng)進入瓶頸期時，碳化硅材料的優(yōu)異特性讓它成為了下一代功率半導體器件的理想原材料。

圖1  4H型碳化硅與硅基材料特性對比

在硅基半導體器件性能已經(jīng)進入瓶頸期時，碳化硅材料的優(yōu)異特性讓它成為了下一代功率半導體器件的理想原材料。以光伏行業(yè)為例，碳化硅功率器件能為光伏逆變器帶來更高的轉換效率、更低的能量損耗，從而有效縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本等。

02 碳化硅肖特基二極管在光伏逆變器中的應用優(yōu)勢 

對比硅的快恢復二極管，碳化硅肖特基二極管在BOOST電路中的應用具有很大的優(yōu)勢，由于碳化硅肖特基二極管是肖特基結構，且是多數(shù)載流子導電器件，不存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復問題，因此碳化硅肖特基二極管可以降低對應換流回路中的開關損耗，在更高的頻率環(huán)境中工作，且在相同工作頻率下具有更高的效率。

在光伏逆變器中，碳化硅肖特基二極管主要用于BOOST電路，如圖2所示拓撲為Single Boost，是光伏逆變器中使用較為廣泛的拓撲，拓撲中的D1在使用碳化硅肖特基二極管時，可以降低對應換流回路中開關管的開關損耗，降低溫升，從而減小散熱器的體積，可以提高頻率，減小磁性元器件的體積，降低成本。

隨著光伏逆變器功率越來越高，碳化硅肖特基二極管的應用優(yōu)勢得到了各大主流光伏逆變器廠商的一致認可，光伏行業(yè)成為目前碳化硅肖特基二極管使用量最大的市場之一。

圖2  Single Boost拓撲

03 產(chǎn)品推薦

隨著光伏逆變器功率的提高與光伏組件的迭代，光伏逆變器中選用的碳化硅器件的規(guī)格也在不斷提升，對器件的浪涌能力、擊穿電壓、雪崩能量以及正向電流等參數(shù)要求都在變高。

基本半導體面向光伏及儲能領域推出了碳化硅肖特基二極管、碳化硅MOSFET和碳化硅功率模塊三類產(chǎn)品。其中碳化硅肖特基二極管已經(jīng)在工商業(yè)光伏逆變器、組串式光伏逆變器、微型光伏逆變器領域廣泛應用。以下是基本半導體自主研發(fā)的適用于1000V、1500V光伏逆變器系統(tǒng)的碳化硅肖特基二極管型號：

表1 基本半導體碳化硅肖特基二極管Boost方案器件選型

04 結語

碳化硅功率器件的諸多優(yōu)勢，使其在光伏儲能、電動汽車、軌道交通、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等領域均有廣泛應用。隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，碳化硅器件在光伏逆變器的應用不僅限于碳化硅肖特基二極管，在光伏逆變器的逆變部分，碳化硅MOSFET的應用也越來越多，基本半導體“SiCer小課堂”后續(xù)也將會推出相關文章介紹，敬請關注。