【導(dǎo)讀】戶用光伏每年裝機(jī)都在高速增長(zhǎng)，單相光伏逆變器功率范圍基本在3~10kW，系統(tǒng)電路示意框圖如圖1所示，從光伏電池板經(jīng)過逆變器中DC/DC，DC/AC電路實(shí)現(xiàn)綠電的能量轉(zhuǎn)換，英飛凌能提供一站式半導(dǎo)體解決方案包括650V功率器件、無核變壓器CT技術(shù)驅(qū)動(dòng)IC、主控制MCU和電源管理芯片等。
圖1.單相光伏系統(tǒng)框圖
從應(yīng)用需求上，逆變器需要體積小，重量輕，安裝方便，容易維護(hù)，可以融合儲(chǔ)能提升用電效率，實(shí)現(xiàn)更早投資回報(bào)。從功率器件角度，主流方案都是基于TO-247封裝的分立器件，曾幾何時(shí)CoolMOS?方案因其在效率和高頻特性上的優(yōu)勢(shì)被廣泛使用。但是隨著成本競(jìng)爭(zhēng)的加劇，英飛凌和客戶合作又提出了一種新的解決方案650V高速IGBT方案。從電路拓?fù)浣嵌龋容^常見的拓?fù)涫荋4， H5，H6，H6.5和HERIC等不同的電路結(jié)構(gòu)，都無變壓器，對(duì)地存在寄生電容，基本典型值為10nF/kW。但不同的拓?fù)涑霭l(fā)點(diǎn)都是為了解決共模電壓跳變導(dǎo)致的系統(tǒng)對(duì)地漏電流的問題，以滿足電氣安全導(dǎo)則來設(shè)計(jì)，同時(shí)要兼顧光照不足時(shí)輕載條件下的高效率，基本都在最大效率98%，加權(quán)效率97%以上。不同的電路拓?fù)浔举|(zhì)上大同小異，但有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性。
近年來，戶用單相光伏逆變器所用的650V單管功率器件從技術(shù)和產(chǎn)品上似乎鮮有新的猛料爆出。看到隔壁的大功率組串式逆變器各種定制化芯片、封裝和SiC技術(shù)，并由此帶來的效率和功率齊飛的盛況。戶用逆變器的開發(fā)者不禁想問，除了降本這個(gè)永恒不變的話題，在提頻和增效上我們路在何方？好鋼用在刀刃上，在目前市場(chǎng)還很難接受SiC MOSEET價(jià)格的前提下，有沒有一種結(jié)合IGBT低成本以及SiC高性能的產(chǎn)品？英飛凌給出了最佳的答案。
650V混合SiC IGBT特點(diǎn)
650V混合SiC IGBT，顧名思義是將IGBT和SiC二極管做在同一個(gè)TO247-3/4封裝里，如圖2所示，從而兼顧了IGBT的高性價(jià)比以及sic二極管的高速以及極低的反向恢復(fù)電流的優(yōu)勢(shì)。混合IGBT單管目前有40A，50A和75A三種規(guī)格可選，戶用光伏逆變器以H5芯片為主。
圖2.單管TO-247封裝
650V 混合SiC IGBT家族
其中RH5是內(nèi)置半電流SiC二極管，SS5是內(nèi)置全電流SiC二極管。TRENCHSTOP? H5是開關(guān)速度快的芯片特性，低關(guān)斷損耗，主要用于30kH以上到100kHz左右的高頻應(yīng)用場(chǎng)合，具有較高效率。TRENCHSTOP? S5是中等開關(guān)速度的芯片特性，有相對(duì)低的飽和壓降，主要用于10kHz到40kHz左右的應(yīng)用場(chǎng)合。結(jié)合內(nèi)置SiC二極管特性，對(duì)二者進(jìn)行電流最佳匹配。
主要技術(shù)特點(diǎn)：
1.搭載了英飛凌性能優(yōu)異的650V H5/S5 IGBT晶圓以及650V第六代SiC二極管
2.SiC二極管極小Qrr，有效降低對(duì)管IGBT開通損耗，且自身反向恢復(fù)損耗Erec也明顯降低
3.IGBT開通損耗隨溫度的影響很小
4.降低EMI
根據(jù)最新650V/50A產(chǎn)品規(guī)格書進(jìn)一步分析器件的正向?qū)ê烷_關(guān)參數(shù)，如圖3所示。其中RH5中的SiC二極管Vf呈現(xiàn)正溫度系數(shù)，在If=50A時(shí)相比EH5 Rapid1有比較高的正向壓降，但在實(shí)際應(yīng)用中由于結(jié)溫比較低，二極管電流比較小，二者對(duì)功耗影響相差不會(huì)太大。
圖3.正向壓降Vcesat和Vf
如圖4所示，SiC二極管對(duì)IGBT開通損耗影響很大，相比EH5在Ic=25A時(shí)降低70%，總開關(guān)損耗降低55%。因此，在高頻和效率提升上，尤其小容量戶用光伏逆變器，650V SiC混合單管有很好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，后續(xù)在HERIC電路中進(jìn)行系統(tǒng)性能分析。
圖4.開關(guān)損耗Eon和Eoff
系統(tǒng)電路拓?fù)浜头抡娣治?/p>
戶用單相光伏逆變器電路拓?fù)湟訦ERIC為主，該電路是2006年Sunways提出的高效可靠的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基于傳統(tǒng)H4電路上在交流側(cè)加入旁路功能的第五、六開關(guān)。其有效隔離了零電平時(shí)候交流濾波電感L與寄生電容C之間的無功交換，提升系統(tǒng)效率，且降低寄生電容上的電壓高頻分量，消除漏電流。
以HERIC拓?fù)錇槔U述該器件在系統(tǒng)效率上的優(yōu)勢(shì)，該拓?fù)溆兴膫€(gè)高頻管，兩個(gè)工頻管。高頻管一般工作在20~30kHz，工頻管類似于T型三電平的橫管，在PF=1的時(shí)候，工頻管僅有導(dǎo)通損耗；其反并聯(lián)二極管同時(shí)具有導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗，詳細(xì)換流如圖5和6所示。
(a)Uo>0,Io>0
(b)Uo>0,Io<0
圖5.第一、二象限換流回路
當(dāng)輸出Uo>0,Io>0時(shí)器件處于第一象限工作，高頻管為T1與T4，工頻管為T5，D6承受反向電壓。負(fù)載電流流向如圖5(a)左所示，此時(shí)損耗主要時(shí)T1，T4開通和導(dǎo)通損耗以及D6反向恢復(fù)損耗。當(dāng)高頻管T1和T4關(guān)斷時(shí)，工頻管T5開通，D6正向?qū)ɡm(xù)流，負(fù)載電流流向如圖5(a)右所示，此時(shí)損耗主要是T1，T4關(guān)斷損耗及其T5，D6正向?qū)〒p耗。
當(dāng)輸出Uo>0,I<0時(shí)器件處于第二象限，逆變器發(fā)無功，D1與D4二極管續(xù)流，負(fù)載電流流向如圖5(b)左所示，此時(shí)損耗主要是D1與D4正向?qū)〒p耗以及D6反向恢復(fù)損耗。當(dāng)高頻管T2與T3開通，此時(shí)工頻管T6開通，D5正向?qū)ɡm(xù)流，負(fù)載電流流向如圖5(b)右所示。其他兩個(gè)象限的換流回路如圖6所示，這里就不再贅述。
(a)Uo<0,Io>0
(b)Uo<0,Io<0
圖6.第三、四象限換流回路
通過換流分析可以看出，工頻管中反向恢復(fù)二極管D6特性會(huì)影響T1，T4高頻管的開通損耗，實(shí)際是二者之間進(jìn)行開關(guān)換流。因此，通過利用SiC的開關(guān)損耗低特性，650V混合管可以有效降低高頻管的損耗，顯著降低器件的工作結(jié)溫，提升系統(tǒng)效率。
以8kW戶用光伏逆變器為例，基本電路仿真工作條件是Vdc=360V，V0=230V，fs=20kHz, Io=35A，PF=1，Th=100℃。由換流分析，主回路高頻管采用H5芯片，將工頻交流開關(guān)用H5和混合RH5，SS5方案進(jìn)行對(duì)比分析。
圖7.不同開關(guān)頻率fs下的EH5損耗
方案1全部選用IKW50N65EH5，仿真在不同開關(guān)頻率fs條件下系統(tǒng)的損耗和效率情況。單純?cè)谠确桨干咸嵘骷_關(guān)頻率到30kHz和40kHz只會(huì)增加系統(tǒng)損耗，效率降低，如圖7所示。此時(shí)觀測(cè)器件工作結(jié)溫時(shí)，當(dāng)開關(guān)頻率fs提升到40kHz時(shí)，T1與D6都已經(jīng)超過最大運(yùn)行結(jié)溫，如圖8所示。因此，根據(jù)HERIC換流電路的特點(diǎn)，降低換流過程中的損耗是工頻管器件設(shè)計(jì)主要考慮的出發(fā)點(diǎn)。
圖8.結(jié)溫分布
方案2采用650V混合SiC器件來代替工頻交流管位置，選用IKZA50N65RH5和IKZA50N65SS5兩種來比較系統(tǒng)性能差異，如圖8。RH5相比之前的EH5方案1，在相同fs=20kHz條件下可以提升系統(tǒng)效率0.24%，總損耗降低19.6W左右；SS5可以提升系統(tǒng)效率0.34%，總損耗降低27.2W左右，同時(shí)SS5相比RH5而言可以提升0.1%。此時(shí)，T1管對(duì)應(yīng)的溫度為140.3oC，T5對(duì)應(yīng)結(jié)溫為106.2oC,D5對(duì)應(yīng)的結(jié)溫為108oC。
圖9.用不同工頻管時(shí)的損耗和效率
如果EH5和SS5方案提升開關(guān)頻率到40kHZ,相比傳統(tǒng)EH5方案高出2倍，但逆變器效率上仍然高出0.16%, 總損耗降低大約13瓦。此時(shí)器件中高頻管T1的結(jié)溫為142.4oC，工頻管T5的結(jié)溫為110.4oC，SiC二極管D6的結(jié)溫為113.2oC。另外，SiC二極管的反向恢復(fù)損耗受結(jié)溫影響比較小，基本保持不變。實(shí)際中T1管的開通損耗可能會(huì)小，有助于進(jìn)一步降低高頻管的損耗。因此，650V混合全電流SiC器件可以在大范圍內(nèi)有效提升HERIC拓?fù)潆娐返拈_關(guān)頻率和增加系統(tǒng)效率。
結(jié)論
該650V混合SiC產(chǎn)品繼承了經(jīng)典的TO247封裝，客戶可以在不變更PCB和電路情況下，對(duì)老的產(chǎn)品進(jìn)行直接替換，從而在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到系統(tǒng)效率的提升和增加開關(guān)頻率的目的。同時(shí)，由于器件帶來系統(tǒng)損耗減少的優(yōu)勢(shì)，可以降低散熱設(shè)計(jì)要求和成本；開關(guān)頻率提升可以有效降低并網(wǎng)電感的尺寸和大小，減少電流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。單相HERIC電路中，用單一器件替換就可以帶來如此優(yōu)勢(shì)，何苦要去折騰各種專利拓?fù)洌鞣N軟開關(guān)？
來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體，原創(chuàng)：趙振波 孫敦虎
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