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功率:是什么使SiC成为组串式逆变器的完美解决方案

时间:2023-02-09 11:45:34 | 来源:

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与硅技术相比,SiC MOSFET在光伏和储能应用中具有明显的优势,它解决了能效与成本的迫切需求,特别是在需要双向功率转换的时候。

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易于安装是大功率光伏组串式逆变器的关键特征之一。如果只需要两个工人来搬运和安装该系统,将会非常利于运维。因此,尺寸和重量非常重要。最新一代的碳化硅半导体使电力转换效率大幅提高。这不仅节省了能源,而且使设备更小、更轻,相关的资本、安装和维护成本更低。

关键的应用要求及其挑战。

在光伏和储能系统中,1500V的高系统电压要求宇宙辐射引起的故障率非常低,同时要求功率器件具有更高的系统效率。由于这些矛盾的要求,ANPC多电平拓扑结构是目前首选的解决方案,因为其在整个功率因数运行范围内的效率最高(图1)。这样的逆变器完美适用于太阳能和电池存储应用。

逆变器图1:1500V光伏

的两种最常见拓扑结构的比较

适应ANPC拓扑结构的一种具有成本效益的方法是将英飞凌的1200V CoolSiC™ MOSFET与TRENCHSTOP™ IGBT7技术优化组合。图2显示了参考方案中的一个桥臂,其中T1、T4、T5和T6由硅基IGBT和相应的硅续流二极管(FWD)组成。晶体管M2和M3由带有体二极管的CoolSiC™ MOSFET组成。通过使用图2中的调制方案[1]和[2],IGBT在工频50/60Hz的情况下开关。因此,IGBT被优化为具有较低的导通损耗。这样,开关损耗只发生在快速和高效的SiC MOSFET上。因此,SiC器件的数量减少到最低限度,实现了最佳的成本-性能比。

图2:Easy 3B功率模块中的ANPC拓扑结构及其调制方案图2:Easy 3B功率模块中的ANPC拓扑结构及其调制方案

与IGBT逆变器方案相比,尺寸相当的SiC MOSFET模块也可以处理更多的功率。例如,一个工作频率为16kHz的英飞凌950V EasyPACK™ 3B IGBT模块可以被两个较小的EasyPACK™ 2B尺寸1200V CoolSiC™模块取代,工作频率为32 kHz。随着功率处理能力增加32%,达到139千伏安,这个解决方案的功率转换损失几乎降低了5%。这进一步将逆变器的效率提高了0.3%——这是一场真正的"值得信赖的革命!"

图3:在16kHz下开关的950V EasyPACK™ 3B IGBT解决方案与在32kHz下开关的EasyPACK™ 2B CoolSiC™ MOSFET解决方案的比较

参考设计证明了其优点。

为了证明在光伏组串和储能逆变器中使用SiC MOSFET的显著优势,英飞凌已经为额定功率高达300kW的1500 VDC系统开发了一个模块化参考设计。该设计采用了新颖的双向3电平ANPC拓扑结构,在两个方向上的效率接近99%,开关频率高达96kHz(交错并联结构)。对于包括散热器和所有控制在内的完整解决方案来说,功率密度大于5千瓦/公斤,在理想的80公斤最大机柜重量中,可输出300千瓦功率。

通过使用SiC可以很容易地从整体效率的提高中计算出能源使用和成本节约;例如,与超级结Si MOSFET解决方案相比,1200V CoolSiC™ MOSFET可以将ESS安装中的损耗减半,并提供通常2%的额外能量和运行时间。对于类似的性能,SiC MOSFET的单位成本通常高于IGBT。但在系统层面上,硬件成本会大大降低,因为更高的开关频率允许使用更小、更便宜的磁性元件和散热器。例如,在1500V的光伏组串逆变器中,每千瓦的成本可望至少节省5-10%(图4)。

图4:与IGBT相比,使用SiC MOSFET的组串逆变器的系统成本明显降低图4:与IGBT相比,使用SiC MOSFET的组串逆变器的系统成本明显降低

作者:sureshthangavel

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