太陽(yáng)能逆變器中的功率電子器件如何選擇

硅二極管的反向恢復特性，在升壓晶體管和相應的二極管中都會(huì )產(chǎn)生較高的損耗。而碳化硅二極管就沒(méi)有這一問(wèn)題（如圖2中藍色曲線(xiàn)所示）。只是由于電容性產(chǎn)生一個(gè)二極管瞬間負電流，這是由二極管的結電容電荷引起的。碳化硅二極管可大大減少晶體管的開(kāi)通損耗和二極管的關(guān)斷損耗，還可減少電磁干擾，因為波形非常平滑，沒(méi)有振蕩。

　　以往曾經(jīng)報道過(guò)很多避免由二極管的反向恢復特性造成損耗的工藝，例如零電壓開(kāi)關(guān)的零電流開(kāi)關(guān)等。所有這些都會(huì )大大增加元件數量和系統的復雜程度，結果經(jīng)常使穩定性下降。特別值得提出的是，即使是在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下通過(guò)使用碳化硅肖特基二極管，也可以用最少的元件實(shí)現軟開(kāi)關(guān)相同的效率。

　　高開(kāi)關(guān)頻率同樣要求高性能的升壓晶體管。超級結晶體管（如 CoolMOS）的引進(jìn)，為進(jìn)一步降低MOSFET 的單位面積導通電阻RDS(on) 帶來(lái)了希望，如圖3所示。

　很容易可以看出，與標準工藝相比，單位面積RDS(on)大概比CoolMOS低4倍~5倍。這意味著(zhù)，在標準封裝中，CoolMOS可實(shí)現最低絕對導通電阻值。這將帶來(lái)最低導通損耗和最高效率。CoolMOS 工藝的單位面積RDS(on)表現出更好的線(xiàn)性度。當電壓為600V時(shí)，CoolMOS的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)，如果電壓更高，其優(yōu)勢就會(huì )加大。目前，最高的電壓級為800V。

　　經(jīng)多次研究表明：使用碳化硅二極管和超級結MOSFET如CoolMOS,優(yōu)于采用標準的MOSFET和二極管工藝（如圖4所示）解決方案。

　　用于逆變器的功率半導體

　　輸出逆變器連接直流母線(xiàn)和電網(wǎng)。通常，開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有DC/DC變換器的高。輸出變換器必須處理由所有組變換器產(chǎn)生的電流總和。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是在這一逆變器使用的理想器件。圖5給出了IGBT工藝的兩個(gè)橫截面。

　　兩種工藝都采用了晶圓減薄工藝，旨在降低導通損耗以及由襯底厚度太大造成的開(kāi)關(guān)損耗。標準工藝和 TrenchStop工藝是非外延 IGBT工藝，沒(méi)有采用晶體管生長(cháng)工藝,因為此類(lèi)工藝流程的成本很高，因為阻斷電壓是根據增長(cháng)晶體的厚度來(lái)決定的。

　　在斷開(kāi)狀態(tài)下，標準NPT 單元在半導體內部形成了一個(gè)三角形的電場(chǎng)。所有阻斷電壓都被襯底的n區域吸收（取決于其厚度），以使電場(chǎng)在進(jìn)入集電極區域之前降到0。600V芯片的厚度是120mm，1200V芯片的厚度是170mm。飽和電壓為正溫度系數，從而簡(jiǎn)化了并聯(lián)使用。