在光伏逆變器中運用SiC BJT實(shí)現更低的系統成本

最近，碳化硅 (SiC) 的使用為 BJT 賦予了新的生命，生產(chǎn)出一款可實(shí)現更高功率密度、更低系統成本且設計更簡(jiǎn)易的器件。SiC BJT 運用在光伏電源轉換器中時(shí)，可實(shí)現良好效率，并且(也許更重要的是)能夠使用更小、更便宜的元件，從而在系統級別上顯著(zhù)降低成本。

在過(guò)去 30 多年中，諸如 MOSFET 和 IGBT 之類(lèi)的 CMOS 替代產(chǎn)品在大多數電源設計中逐漸取代基于硅的 BJT，但是今天，基于碳化硅的新技術(shù)為 BJT 賦予了新的意義，特別是在高壓應用中。

碳化硅布局以同等或更低的損耗實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率，并且在相同形狀因數的情況下可產(chǎn)生更高的輸出功率。 運用了 SiC BJT 的設計也將使用一個(gè)更小的電感，并且使成本顯著(zhù)降低。 雖然運用碳化硅工藝生產(chǎn)的 BJT 相較于僅基于硅的 BJT 會(huì )更昂貴，但是使用 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢在于可在其它方面節省設計成本，從而實(shí)現更低的整體成本。本文介紹的升壓轉換器設計用于光伏轉換階段，其充分利用 SiC BJT 的優(yōu)勢，在顯著(zhù)降低系統成本的同時(shí)可實(shí)現良好的效率。

碳化硅的優(yōu)勢

基于硅的 BJT 在高壓應用中失寵有幾方面原因。 首先，Si BJT 中的低電流增益會(huì )形成高驅動(dòng)損耗，并且隨著(zhù)額定電流的增加，損耗變得更糟。 雙極運行也會(huì )導致更高的開(kāi)關(guān)損耗，并且在器件內產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)電阻。 可靠性也是一個(gè)問(wèn)題。 在正向偏壓模式下運行器件，可能會(huì )在器件中形成具有高電流集中的局部過(guò)溫，這可能導致器件發(fā)生故障。 此外，電感負載切換過(guò)程中出現的電壓和電流應力，可能會(huì )導致電場(chǎng)應力超出漂移區，從而導致反向偏壓擊穿。這會(huì )嚴格限制反向安全工作區 (RSOA)，意味著(zhù)基于硅的 BJT 將不具有短路能力。

在運用碳化硅的新型 BJT 中不存在同樣的問(wèn)題。與硅相比，碳化硅支持的能帶間隙是其三倍，可產(chǎn)生更大的電流增益，以及更低的驅動(dòng)損耗，因此 BJT 的效率更高。 碳化硅的擊穿電場(chǎng)強度是硅的 10 倍，因此器件不太容易受到熱擊穿影響，并且要可靠得多。碳化硅在更高的溫度下表現更出色，因此應用范圍更為廣泛，甚至包括汽車(chē)環(huán)境。

從成本角度而言，碳化硅的高開(kāi)關(guān)頻率在硬件級可實(shí)現成本節約。 雖然相較于基于純硅，基于碳化硅的 BJT 更昂貴，但 SiC 工藝的高功率密度將會(huì )轉換為更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散熱器和更小的過(guò)濾器元件。從長(cháng)遠來(lái)看，使用更昂貴的碳化硅 BJT 實(shí)際上更省錢(qián)，因為整體系統的生產(chǎn)成本更低。我們設計的升壓轉換器就是一個(gè)例子。 它設計用于額定功率為 17 千瓦的光伏系統中，具有 600 伏的輸出電壓，輸入范圍為 400 到 530 V。

管理效率

BJT 的驅動(dòng)器電路能夠減少損耗和提高系統效率。驅動(dòng)器做了兩件事： 對器件電容迅速充放電，實(shí)現快速開(kāi)關(guān)；確保連續提供基極電流，使晶體管在導通狀態(tài)中保持飽和狀態(tài)。

為了支持動(dòng)態(tài)操作，15V 的驅動(dòng)器電源電壓引起更快的瞬態(tài)變化，并提高性能。SiC BJT 的閾值電壓約為 3V。通常情況下無(wú)需使用負極驅動(dòng)電壓或米勒鉗位來(lái)提高抗擾度。

SiC BJT 是一個(gè)“常關(guān)型”器件，并且僅在持續提供基極電流時(shí)激活。選擇靜態(tài)操作的基極電流值會(huì )涉及到傳導損耗和驅動(dòng)損耗間的折衷平衡。 盡管有較高的增益值(因此會(huì )形成較低的基極電流)，驅動(dòng)損耗對 SiC BJT 仍非常重要，由于 SiC 布局具有較寬能帶間隙，因此必須在基極和發(fā)射極間提供一個(gè)更高的正向電壓。 將基極電流增加一倍，從 0.5A 增加到 1A，僅降低正向等效電阻 10%，因此需要降低傳導損耗，同時(shí)使飽和度轉變?yōu)檩^高水平。 這是我們設計升壓轉換器的一個(gè)重要考慮因素，因為它會(huì )在更高的電流紋波下運行。1A 的基極電流會(huì )使開(kāi)關(guān)能力增加至 40A。

靜態(tài)驅動(dòng)損耗是選定驅動(dòng)電壓和輸入電壓的一個(gè)函數(間接表示占空比值)。實(shí)現高開(kāi)關(guān)速度需要 15V 的驅動(dòng)電壓，產(chǎn)生約 8W 的損耗，主要集中在基極電阻上。為了彌補這方面的損耗，對于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)操作，我們通常使用兩個(gè)單獨的電源電壓。圖 1 提供了示意圖。高壓驅動(dòng)器的控制信號會(huì )“中斷”，因此它僅在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間使能。靜態(tài)驅動(dòng)階段使用較低電壓，從而可以降低靜態(tài)損耗，并在整個(gè)導通期間保持激活狀態(tài)。

圖 1.使用兩個(gè)電源電壓降低損耗減小濾波器的尺寸

在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運行，可降低無(wú)源元件的成本。為了進(jìn)一步提高功率密度，我們著(zhù)眼于改善濾波器電感的方法。在評估了各種核心材料的能力后，我們選擇了一種使用 Vitroperm 500 F(一種薄夾層式納米晶體材料)制成的新型磁芯材料。該材料產(chǎn)生的損耗低，且在高頻率下運轉良好。此外也可在高飽和磁通值下運行，這意味著(zhù)該材料比類(lèi)似的鐵氧體磁芯(圖 2 右側)要小得多。使用 Virtoperm 磁芯構成的濾波電感器，約為參照系統的四分之一大小。

圖 2 顯示了在最大電流紋波(40%)下對于不同材料將電感器尺寸作為開(kāi)關(guān)頻率函數的因素。在此，我們假設電感量近似為電感值，而這又取決于峰值磁通密度和開(kāi)關(guān)頻率。在達到指定的臨界