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碳化硅二极管提高太阳能逆变器的效率

关注:475 发表时间:2017-10-18 13:47:53

碳化硅管(SiC)二极管已经打入迅速扩展的太阳能逆变器市场中,在欧洲尤为如此。科锐公司(Cree)的1200V SiC碳化硅肖特基二极管正在替代其直流母线升压电路中的硅(Si) PiN同类产品,并且很快就会出现在商用系统的逆变器部分。

  在过去几年,材料质量、尺寸和成本方面的改进已经使SiC成为功率器件中硅的真正可行替代物。随着圆晶尺寸不断增加(Cree目前使用的是4英寸圆晶),缺陷密度不断降低,材料成本也日益减少,现在已经有了使用SiC的更大功率器件。碳化硅技术具备众多独特性能,使得碳化硅成为一种近乎完美的材料,应用于高电压或高温环境。

  首先,碳化硅SiC的导热系数是砷化镓的数倍,也是硅的三倍多,这使得制造电流密度更高的器件成为现实。此外,碳化硅SiC的击穿场强几乎为硅的十倍,因此对于同样的设计,碳化硅器件的击穿电压额定值为硅器件的十倍,这使得制造超高压肖特基二极管成为可能。最后,碳化硅为宽带隙材料,碳化硅器件的工作温度比任何硅器件均要高得多。图1对碳化硅、砷化镓和硅这三种材料的热导率、击穿电场强度和带隙进行了对比。

  科锐公司采用碳化硅SiC来制造高压肖特基二极管。由于肖特基二极管为单极器件,没有少数载流子复合,所以反向恢复电流为零(图2)。它的结电容电荷很小,与硅PiN器件的反向恢复电荷相比,可以忽略不计,而且结电容电荷的大小与温度、正向电流和开关di/dt无关。这些肖特基二极管还具有零正向恢复电压,可以瞬时导通。科锐公司的肖特基二极管具备众多优异的开关特性,其中有一个特性能大幅度降低电磁干扰。这些器件可以消除电源转换系统中的二极管开关损耗,而这又能大大降低相关开关中的开通损耗,该相关开关用于硅PiN器件则必须承受反向恢复电流通过。正是由于采用科锐公司碳化硅肖特基二极管,从而提高了效率和性能,因此科锐公司的肖特基二极管为太阳能发电系统提供了理想的解决方案。

  现有众多资料显示,电能占全世界能源消耗的39%。预计美国在未来十年的能源需求将增长19%,而发展中国家的能源需求将会增长得更快。欧洲已经意识到了太阳能的优点,而一些国家正在为企业和个人转用太阳能提供鼓励措施,来促进企业和个人使用太阳能。由于采用碳化硅肖特基二极管提升整个系统的效率,许多太阳能设备制造商纷纷开始转向这一技术。

  太阳能面板的功能是采集太阳能并将其转化为正向直流电压。此电压会随着直射到太阳能面板上的太阳光强度的变化而变化。通过采用升压转换器,使得此电压升高至一恒定直流电压,此升压转换器在高频开关操作(图3)。科锐公司的碳化硅肖特基二极管能消除升压二极管的开通损耗,并能大大降低MOSFET或IGBT开通损耗,这使得升压段的效率有了显着提高。然后,通过另一个逆变器,将此恒定直流电压转换为可用的交流电压,此交流电压的频率恒定(例如欧洲为220V/50Hz,北美为110V/60Hz)。科锐公司的碳化硅肖特基二极管不仅能消除此段续流二极管中的二极管开关损耗,同时也能降低IGBT开通损耗,从而显着提高了逆变器的效率。

  采用硅器件的转换器,其平均工作效率接近96%。如果采用效率更高的系统,太阳能面板采集的太阳能就能更多地转化为可用的电能。采用碳化硅器件,转换器的平均工作效率能提升至97.5%,这就意味着逆变器损耗能降低25%。考虑到这些太阳能设备的设计使用寿命至少为30年,采用碳化硅器件后,就能产生颇为可观的节能效益,而且还能降低温度,使这些系统具备更高的可靠性。

  如今使用的太阳能发电系统通常分为两类:并网型系统和离网型。顾名思义,并网型系统是与公用电网相连的系统。终端用户的用电要么来自于太阳能面板,要么来自于公用电网,这取决于负载需求、使用时间等。此系统具有计量功能,能在较低负载需求期间,将太阳能发电系统的电能反向馈入电网。离网型系统是独立的系统,不与公用电网相连,含有蓄电池组,有时还有备用发电机。通过充电控制器,太阳能面板对蓄电池组进行充电,电池可以向逆变器提供输入功率,从而为终端用户提供电力。

  一般来说,现今的太阳能发电系统,每发一瓦电,约需10美元,因此3kW太阳能发电系统约需30,000美元。显然,太阳能发电系统的效率越高,消费者的投入回报就越快。全球日益迫切的能源需求也催生了太阳能等替代能源的应用,而采用碳化硅二极管能提高太阳能发电的效率,为消费者带来了更大的效益。

 


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