碳化硅肖特基二極管在光伏逆變器的應用

在全球推進(jìn)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。根據國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統計數據顯示，2022年全國太陽(yáng)能發(fā)電裝機容量同比增長(cháng)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。

在光伏系統中，光伏逆變器是光伏發(fā)電系統的核心部件，可將光伏（PV）太陽(yáng)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，或是供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。隨著(zhù)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格和散熱要求也越來(lái)越高。相比于傳統硅材料，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(lái)越廣泛。其中，碳化硅肖特基二極管無(wú)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(zhù)減小損耗，優(yōu)化散熱，降低成本。

本文將重點(diǎn)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(chǎng)強更是硅的10倍。在硅基半導體器件性能已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期時(shí)，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(jìn)入瓶頸期時(shí)，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(lái)更高的轉換效率、更低的能量損耗，從而有效縮小系統體積、增加功率密度、延長(cháng)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，且是多數載流子導電器件，不存在少數載流子壽命和反向恢復問(wèn)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(kāi)關(guān)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(shí)，可以降低對應換流回路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)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(zhù)光伏逆變器功率越來(lái)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(chǎng)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(chǎng)之一。

圖2  Single Boost拓撲

03 產(chǎn)品推薦

隨著(zhù)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要求都在變高。

基本半導體面向光伏及儲能領(lǐng)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(lèi)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(lǐng)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(yǔ)

碳化硅功率器件的諸多優(yōu)勢，使其在光伏儲能、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域均有廣泛應用。隨著(zhù)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(lái)越多，基本半導體“SiCer小課堂”后續也將會(huì )推出相關(guān)文章介紹，敬請關(guān)注。