摘要：  本文以提高太阳能发电系统逆变器的可靠性与耗能减少及低成本等问题作为主题，对其SiC（碳化硅）功率器件分类、特性及在太阳能发电系统逆变器中的应用为例作重点分析说明。

关键字：  碳化硅，功率器件，逆变器，高速开关，能耗

全球能源消费的39％为用电，随着可再生能源（如太阳能发电厂和风力发电场）不断发展，分布式发电将成为整个电力供应系统的重要组成部分。而许多著名制造厂商推出的芯片和模块己为风力、水力和太阳能等可再生能源的生产创造了条件。但是可再生能源系统的可靠性和效率尤其是核心部件逆变器的可靠性及降低能耗是当今设计人员所关注的焦点。这是因为太阳能逆变器在太阳能电池板和主电网之间扮演着接口的角色（如图 1 所示）。也就是说，一个 DC/DC 转换器控制着太阳能电池板的工作点，使之达到最大的功率输出，而DC/AC 转换器把这部分功率输送到主电网，同时执行主电网运营商设立的各种管控规则，如图 1 所示，在太阳能逆变器内部会发生两个功率转换过程。图1中能量缓冲器会吸收掉两个转换器之间功率流的差值。
而逆变器的可靠性与设计构建时应用的半导体器件配置、数量、耗能及尺寸密切相关。随着半导体技术与工艺的发展，其新型SiC（碳化硅）功率器件的呈现，它的引入为提高可再生能源系统（如太阳能系统）逆变器的可靠性与效能开拓了新途径，以至于许多太阳能设备制造商纷纷开始转向这一技术的应用。为此本文以太阳能发电系统逆变器的可靠性提高与耗能减少及低成本为主题，对其SiC（碳化硅）功率器件分类、特性及在太阳能发电系统逆变器中的应用作研讨分析。
1 SiC(碳化硅)功率器件分类与特性
SiC（碳化硅）功率器件使开关损失降低，在高温环境下的工作特性优良，被人们期待为下一代的低损耗元件的SiC（碳化硅）。它适用于太阳能发电，风力发电等的DC/AC转换器，混合动力车和电动汽车用的充电器，以及工业生产设备和空调的功率逆变器等。SiC功率器件在这些用途中作为节能省电关键器件得到了商品化。而如今SiC（碳化硅）功率器件又可分SiC 肖特基势垒二极管与SiC MOSFET二大类。
(1)SiC 肖特基势垒二极管
因为总电容电荷小，可以降低开关损失，实现高速开关。而传统的Si 快速恢复二极管的trr逆恢复时间会随着温度上升而增大，而SiC 则可以维持温度稳定的特性。其低驱动电压，高效率的SiC肖特基势垒二极管已从2010年开始投放市场。
(2)SiC MOSFET
可以实现高速开关。特别是高温时导通电阻低，可以大幅改善开关损耗和导通损耗。作为下一代的节能产品大力扩充产品线。最适合电源一体式逆变器等的高速trr化，它的高速开关性能以及内部二极管的高速trr化有助于实现高效率与低损耗化，更加有助于电源电路板实现小型化。其特长：进一步高效率化，除了导通电阻低、栅极驱动器能量(Qg)低之外，还实现了内部二极管的高速trr化；元件数量稍减，依靠内部二极管的高速trr特性（其波形见图2(a)红兰线所示），可以省去传统办法（见图2(b) 左灰色图所示）所需的外接快速恢复二极管(FRD)，见图2(b) 右红色图所示已无FRD了。与传统产品（如600V/8A产品）相比较，不仅trr而且Irr也得到大幅度的改善，见其图2(a) 兰线与红线波形所示，可看出trr（逆恢复时间）与传统产品的trr（黑色波形）要快得多。
典型的碳化硅SiC功率管MOSFET CMF20120D 提供高达 1200V 的闭锁电压，且在 25℃时通态电阻《RDS(ON)》 仅为 80mΩ。如果将该 SiC MOSFET 设为碳化硅设备，则 RDSon 会在其整个操作温度范围中保持低于 100mΩ。 在各种操作条件下保持性能特征一致，并且具有真实的 MOSFET 设备架构，这使得其完美并适合动力电子产品切换电路。与市面上类似额定值的硅(Si) MOSFET 或 IGBT 设备相比，在测试中，CMF20120D 输入电压范围内具有最低的栅极驱动器能量 (QG <100nC)。在电流为 20A 时传导损耗得到最大程度的降低，且正向压降 (VF) <2V。那末它的特性或优势在太阳能发电系统逆变器中如何应用呐？
应该说CMF20120D SiC MOSFET 提供了优于硅(Si)设备的优势，从而通过其较高频率操作，实现无与伦比的系统效率并且使系统尺寸、重量与成本得以减少。 它可以达到或超过硅 MOSFET (Si MOSFET)切换速度并可在许多应用中将切换损耗最多减少 50%，则由此构建的太阳能系统逆变器设备可将整体转换损耗最多减少 50%，这从图3(a)逆变器电路损耗减少的示意图与图3(b)逆变器应用电路中元件减少的示意图可以清楚的看出了。从而实现以较高的切换频率进行操作且系统效率得到提高。元件效率提高还会使操作温度降低。将这些较低的操作温度与 CMF20120D 的超低泄漏电流 (<1μA) 相结合，可显著提升系统可靠性。[#page#]
典型的碳化硅功率 MOSFET；旨在替换高电压(≥ 1200V)功率电子器件中的硅(Si)器件。其特点是：高速切换、低电容值、在操作温度范围内通态电阻《RDS(ON)》仅增加20%，并易于并联。在其类别中切换损耗最低，极大地提高了切换频率并且提供世界级的效率，磁性元件与滤波器尺寸减小且冷却要求大幅降低，符合 RoHS、REACH 与不含卤素规定。
应用：可在太阳能电池，净化电源及电源一体型逆变器/照明/马达等领域之中。
如最新的 1200V  Z-FET装置可提供碳化硅MOSFET以保存能量为3-10kW太阳能、供电和电机驱动程序。新的碳化硅MOSFET，使得装置可广泛应用在一个较低的价格点和并行优化系统之中，以降低成本和提高性能。这种新装置用于代替硅晶体管(IGBTs)，目前已用于3-10kW太阳能逆变器设计之中，包括PFC（功率因数校正）电路、工业电机驱动及3相电源等设备。
2 碳化硅(SiC)二极管技术特征与应用
2.1 技术特征
用新型的1200V SiC肖特基二极管取代DC链升压电路所使用硅(Si)PIN设计，己在国内外逐步推行，并很快出现在太阳能逆变器领域之中。这些设备在各种各样的应用中提供更高的效率、更小的尺寸以及更高的频率，如功率因数校正、太阳能逆变器、工业电机驱动器及输出整流。除此以外还有如Z-Rec 1700V，10A 和 25A，碳化硅肖特基二极管等典例。其技术特征如下。
全新的性能标准：1700V SiC 功率器件取代能耗较高的硅解决方案，设定了新的性能标准。几乎消除了电源转换电子应用中的二极管开关损耗（高达 99%）；改善了整体系统的能耗、可靠性和寿命；降低了整体系统的规模、重量和成本。
特性：零反向恢复，即几乎消除了二极管开关损耗、显著降低了 IGBT 开启损耗、大大降低了整体系统损耗、显著改善了 EMI及显著降低了冷却要求并提高了可靠性。具有正温度系数，即轻松实现并联操作，从而可为更高电源应用提供突出优势；又具有更高的潜在开关速度，即通过提高系统开关速度，使电磁和过滤设备的体积/重量比降低 40%，达到 50%。
2.2 在太阳能系统逆变器电路中应用
值此以1200V SiC肖特基二极管用在太阳能系统逆变器电路中以取代DC链升压电路所使用硅(Si)PIN设计为例作重点分析。众所周知，太阳能板收集太阳能能量，将其转换为正向DC电压。该电压随太阳能板上接受的太阳光的光强而变化。利用高频下的升压式转换器开关，该电压可以提升至一个固定的DC电压。SiC肖特基二极管可以消除升压二极管的开关损耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的导通损耗。这将显著提高升压电路的效率（参见图4 SiC肖特基二极管在太阳能系统逆变器电路中应用示意图所示）。然后当一个逆变器将固定DC电压变成固定频率的AC电压时，SiC肖特基二极管可以消除这部分电路中的续流二极管的开关损耗，同时可以降低IGBT导通损耗，逆变器效率也就随之显著提高了。图4中，左边的电路显示采用传统Si PiN二极管、带缓冲电路（虚线框）的复杂的逆变升压电路，而右边的电路则显示了采用SiC二极管的升压电路（见图4右图的园形所示），没有恢复电流就无需缓冲电路，使逆变器电路变得更加有效简单。
其10A 600V SiC肖特基与10A SI等效元件的Vf与If器件特性的对比，SiC器件的温度是独立的，而且没有反向恢复电流。
上述基于碳化硅二极管（SiC肖特基）逆变器典型的平均效率接近96％。利用一个更加有效的系统，太阳能板提供的能量可以更有效地转换为可用电能。采用SiC器件，逆变器的平均效率有可能提高到97.5％。这相当于减少了25％的逆变器损耗。考虑到太阳能系统至少需要工作30年，即意味着在节约能源方面有相当大的改进，通过降低温度，系统也将具备更高的可靠性。[#page#]
2.3 应用趋势
新款 1200 伏 Z-RecTM碳化硅肖特基二极管系列能够以更低的成本和更高的性能实现功率转换应用。Z-Rec 碳化硅肖特基二极管反向恢复特性为零，从而达到降低50%硅二极管的开关损耗相媲美。他们还具有一致的切换性能穿越整个温度范围，从而简化了电路设计，减少了需要复杂的热管理。如果可以配合新型1200V碳化硅功率MOSFET，这些碳化硅肖特基二极管实施所有碳化硅型电力电子电路相比传统的硅二极管和IGBTs的开关频率要高出4倍。这使得减少尺寸，复杂性和成本，逆变电路实现极高的系统。
除在太阳能系统逆变器电路中应用外，还可在风能系统中的电源转换器、变速电动机设备及火车、有轨电车或电动车的电源转换器等领域应用。
3 后话
新型 Z-RecTM 碳化硅肖特基二极管在微型太阳能逆变器设计中提高了能源效率。新推出的1200V Z-RecTM碳化硅肖特基二极管产品均采用行业标准的TO-252 D-Pak表面贴装封装，提供额定电流分别为2A，5A，8A 和 10A的表面贴装器件。如今太阳能微型逆变器等系统设计人员现在能拥有更多的选择来研发出更小、更轻以及成本更低的电源转换电路。新型表面贴装器件以更小的 PCB 尺寸和面积，并具备 TO-220 肖特基二极管相同的性能。这些新型碳化硅肖特基二极管表面贴装器件除了能够以更小的尺寸和更低的板载实现包括零反向恢复损耗、不受温度影响的开关、在更高频率下工作外，还能够支持低电磁干扰(EMI)信号、以及更高的浪涌额定值和电子雪崩性能等优点。额定电流为2A的新型器件充分发挥碳化硅材料本身的优势，非常适合于较低功率的应用，能够提供最佳的性能及成本选择。此外，具有相同尺寸和节约成本的8A 和 10A 器件则适用于更高功率的应用中。尤其在高效功率电子系统中使用碳化硅功率器件，能够具有以更少的器件数量实现更高的额定电流和额定电压等显著设计优势。通过减少器件数量，设计人员能够降低整体系统成本的同时，提高整体系统可靠性和实现最高效率。在全碳化硅设计中配合最新系列1200V碳化硅MOSFET（如科锐或Cree公司产）使用时，这些肖特基二极管使得高功率电子系统成为可能，其开关频率较传统以硅为材料的解决方案可高出5倍至8倍。在更高的开关频率下可使用较小磁性和电容性的元件，从而可以缩减系统体积、降低重量和成本。
SiC MOSFET是功率电子器件领域的热门器件，与传统半导体材料Ge，Si以及GaAS相比，第三代宽禁带半导体SiC以其优良的物理化学特性和电学特性成为制造高温、大功率、低功耗电子器件的理想材料。在大功率低功耗方面，具有耐高温、低导通电阻的MOSFET具有广阔的应用前景。这些可在太阳能逆变器应用中提供更高的效率、更小的尺寸以及更高的频率。除此之外还可在功率因素校正、工业电机驱动器及输出整流上获得应用。