光伏逆变器的系统成本

Question

如题所述

Answer 1

在光伏系统中，采用碳化硅基双极型晶体管（SiCBJT）能够显著降低系统成本。近期，碳化硅技术的应用为BJT带来了新生，创造出了一种能够实现高功率密度、低系统成本且设计简洁的器件。在光伏电源转换器中使用SiCBJT，不仅效率优良，而且能够使用更小、更经济的元件，从而在系统层面大幅削减成本。
在过去的三十年中，MOSFET和IGBT等CMOS替代产品逐渐取代了基于硅的BJT，在大多数电源设计中占有一席之地。然而，基于碳化硅的新技术为BJT带来了新的应用前景，特别是在高压应用场景中。碳化硅能够在同等或更低的损耗下实现更高的开关频率，并且在相同的封装尺寸下提供更高的输出功率。这使得设计人员能够使用更小的电感，并在其他方面实现成本节约。
虽然碳化硅BJT的成本较硅基BJT为高，但其高功率密度带来的优势可以在其他方面节省成本，从而实现整体成本的降低。本文所述的升压转换器设计用于光伏转换阶段，充分利用了SiCBJT的优势，在降低系统成本的同时实现了高效的能量转换。
碳化硅BJT之所以在高压应用中优于硅基BJT，原因有二。首先，SiBJT的低电流增益导致了高驱动损耗，且随着电流的增加，损耗问题愈加严重。此外，双极型操作带来了更高的开关损耗和动态电阻，影响了器件的可靠性。在正向偏压下，器件内部的局部过热可能导致故障，而在反向偏压下，电场应力可能导致击穿，限制了安全工作区域，从而使得硅基BJT缺乏短路能力。
碳化硅BJT解决了这些问题。与硅相比，碳化硅具有更大的能带隙，因此电流增益更高，驱动损耗更低，效率更优。碳化硅的击穿电场强度是硅的十倍，因此器件更不易受热击穿影响，可靠性更高。碳化硅还能在更高温度下工作，应用范围更广，甚至包括汽车环境。从成本角度看，碳化硅的高开关频率在硬件层面实现了成本节约。
在设计升压转换器时，我们考虑到了基极电流的选择，它影响着传导损耗和驱动损耗之间的平衡。虽然较高的增益可以降低基极电流，但驱动损耗在SiCBJT中依然重要，因为SiC的宽能带隙要求在基极和发射极之间提供更高的正向电压。增加基极电流可以提高开关能力，但在高电流纹波下运行会带来挑战。
在选择驱动电压时，我们实现了高开关速度所需的15V驱动电压，同时静态驱动损耗是驱动电压和输入电压的一个函数。为了弥补这些损耗，通常会使用两个单独的电源电压。
为了提高功率密度，我们改进了滤波器电感的设计。我们选择了Vitroperm500F这种新型磁芯材料，它具有低损耗和高频率下的优良性能。使用这种材料，我们可以制造出比传统铁氧体磁芯更小的滤波电感器。
最后，我们展示了在48kHz下的效率和驱动损耗数据，以及原型的性能。整体损耗的降低使得散热片尺寸减小，更高的开关频率也允许使用更小的过滤器元件，所有这些都有助于降低系统成本。