尽管难以精确估计全球太阳能容量

，但这一能源来源仍然是所有可再生能源中增长最快的。根据欧洲太阳能光伏(PV)行业协会SolarPower Europe的数据

，2021年安装的302GW可再生能源容量中，太阳能占据了超过50%
。

　　战略研究提供商彭博新能源财经(BloombergNEF，BNEF)指出
，全球太阳能容量在截至2021年的三年内翻了一番，并在4月超过1太瓦。支持各种形式可再生能源广泛采用的政府间组织国际可再生能源署(IRENA)也同意这一估计，其中中国应占近40%
。BNEF在一份新报告中还指出

，新的安装容量在今年可能达到574GW，2025年达到627GW
，2030年达到880GW

。

　　太阳能逆变器类型

　　1.5kV太阳能逆变器系统在大型公用事业项目中已相当普遍，因为它们更高的交流电压输出(800V线对线)在相同输出功率下减少了电流和电缆尺寸，而1kV系统产生的交流电压输出为400V
。单个集中式1.5kV太阳能逆变器的功率额定值通常在1MW以上，不需要最大功率点跟踪(MPPT)的DC-DC升压转换器
，这在成本方面相对于1kV系统有优势。

　　MPPT是一种用于在条件变化时最大化能量提取的技术。这些因素主要是阳光和阴影，但也包括太阳能电池板温度和负载电气特性。通过调整负载特性来优化系统
，以保持功率传输的最高效率。

　　今天，1.5kV串联逆变器解决方案在集中式系统中越来越受欢迎

。串联太阳能逆变器是一种PV逆变器，设计用于连接一个或多个串联的PV模块组
，功率范围从100kW到400kW，并且有多个用于MPPT的DC-DC升压转换器。它的名字来源于将不同的PV模块端对端连接形成“串联”。

　　其中的优点包括从单个MPPT中提取更好的能量
，单个逆变器单元故障时的停机时间较短
，以及更好的控制和监控。安森美(onsemi)在2024年2月的APEC会议上提出了一种用于1.5kV太阳能升压应用的优化2kV SIC MOSFET功率集成模块(PIM)
，其中最大关断电流小于100A
。

　　两级升压与三级升压转换器比较

　　图1显示了三种升压拓扑：a)对称三级 b)飞行电容三级 c)单端两级。

图1

　　虽然两级拓扑显然简单且有吸引力，但飞行电容三级拓扑比对称三级变体更受欢迎
，因为它允许对低侧和高侧开关(图1中的IGBT)进行交错脉宽调制(PWM)，从而使电感电流的开关频率加倍
。

　　飞行电容为输出提供了一个偏移
，因此输出电压只是电压级数的总和或差值
。不过，启动时和管理电压尖峰时需要额外电路
，如二极管或继电器
，用于预充飞行电容

，见图1(c)中的浅色二极管。

　　半导体解决方案

　　三级升压转换器最常见的解决方案之一是由1kV和1.2kV的硅基IGBT和SiC二极管组成

。在具有20%到30%占空比的1.5kV太阳能逆变器中

，最主要的损耗发生在关断时，因为有电流尾现象。相反，使用全SiC MOSFET解决方案可以减少关断能量Eoff
。

　　表1对比了使用IGBT PIM(NXH600Bl00H4Q2F2S1G)和2kV/20毫欧SiC MOSFET PIM两级转换器在飞行电容三级转换器中的损耗
。假设MPPT升压转换器在以下条件下运行
：输入电压880V，输出电压1080V，输入电流40A，IGBT开关频率fsw为16kHz
，SiC MOSFET fsw为32kHz
，因此相同的纹波电流流经130mH电感。如利发国际所见

，IGBT的总Eoff为2 x 52.89 = 105.78W
，约为SiC MOSFET的一倍(54.9W)。在总损耗方面，全SiC MOSFET节省了83.23W，表明其效率提高了0.25%。这种改进相当于典型12-MPPT太阳能逆变器中减少了近1kW的损耗。

表1

　　功率模块及热设计

　　1.6kV被认为是最高的直流母线电压瞬变，通常由交流电网扰动引起。为此应用，SiC MOSFET器件的额定电压为2kV。107mm x 47mm封装容纳20毫欧SiC MOSFET和50A SiC SBD(两个25A芯片并联)
。一个安森美Q2封装中设计了4个MPPT
。基于损耗模拟
，一个PIM需要散热的总损耗为627W
，这是通过3mm铜底板和小的结到散热器热阻实现的。

　　在这个凝胶填充的PIM中，直接键合铜(DBC)基板的设计至关重要，因此Al2O3陶瓷材料可以作为性能和成本之间的良好折衷选择
。

　　应通过分离芯片来最小化热耦合效应
。然而，减少换向环路电感(与开关转换期间的电路相关的寄生电感)对于减少关断损耗和电压尖峰也很重要，但这个目标应通过将芯片尽可能靠近来实现

。解决这一困境的一个方法是反向电流路径，由于磁消除效应有助于减少环路电感

。也采用了开尔文源引脚以提高开关速度
。

　　结温Tj是PIM设计中最大的挑战之一。尽管SiC器件本身可以在200°C以上良好运行，但安全考虑要求工作温度不超过175°C

。不过，考虑到开关期间的温度波动
、芯片中心和角落的温度差异等，需要一个较低的值(150°C)。

　　还强烈建议留出一定的裕度
，因此最终结温必须保持在120°C到135°C之间。典型的SiC MOSFET损耗模拟使用有限元分析(FAE)给出单个20毫欧SiC MOSFET的最高结温为158°C

，假设散热器为在90°C下运行的无限冷却板。这个温度超过了最大结温
，因此必须降低
。最经济的方式是用两个较小的并联芯片(每个40毫欧，总芯片面积相等)代替单个20毫欧的SiC芯片。这种安排增加了垂直方向上的等效热散面积
，最终使Tj从158°C降至137°C，确保了合理的PIM寿命。

　　成本分析与结论

　　虽然SiC组件固有地比硅IGBT更昂贵，但关键是系统成本
，对于2kV SiC解决方案而言更低
。假设12个MPPT
，每个MPPT控制40A的面板输入电流。假设具有3个MPPT的IGBT基PIM NXI-1600BlOOI-14Q2F2SlG的成本为基线(100%)，而2kV SiC MOSFET升压PIM的成本高出50%。可以用四个IGBT PIM或三个SiC PIM实现12个MPPT。

　　对于每个MPPT
，两种解决方案之间的价格差距仅为(3 x 150% - 4 x 100%)/12 = 4.15%。利发国际还可以假设飞行电容IGBT解决方案的一个额外栅极驱动器相当于1%的额外成本。SiC解决方案在热效率上更高
，考虑到其减少的损耗，利发国际可以假设2级SiC选项的散热器成本降低1%。

　　此外，飞行电容拓扑需要额外的电容器


、更多的PCB硬件和额外的拓扑专利成本和控制资源，3%的更高成本是合理的。基于上述计算，实际SiC解决方案的成本变为4.15% -(1% + 1% + 3%)= -0.85%
。换句话说，2kV SiC太阳能转换器比基于IGBT的转换器便宜15%。

利发国际科技专注功率器件领域，为客户提供igbt、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片
，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。