碳化硅二極管在太陽能系統(tǒng)中的應用

碳化硅(SiC)二極管已經進入迅速擴張的太陽能逆變器市場，尤其是在歐洲。Cree的1200V SiC肖特基二極管已開始用來取代DC鏈升壓電路所使用的硅(Si)PiN類設計，而且將很快出現在商用系統(tǒng)的逆變器領域。
  最近幾年，材料質量、尺寸和成本方面的進展，使SiC成為功率器件中Si的一種真正可行的替代者。隨著晶圓尺寸的增加，缺陷密度在不斷下降，材料成本也隨之下降，同前較大的功率器件已經采用了SiC。該技術有許多獨一無二的特性，使之成為了高壓或高溫操作的一種近乎理想的材料。
  首先，SiC的導熱率足砷化鎵的幾倍，也超過了Si的三倍。這將可以制造出更高電流密度的器件。另外，SiC的擊穿電場(breakdown field)幾乎是Si擊穿電場的十倍，所以采用SiC的相同設計將獲得硅元件十倍的額定擊穿電壓。由于這個原因，才有可能開發(fā)出非常高電壓的肖特基二極管。最后，SiC是一種寬能帶材料，因此，相對于任何硅器件而言，SiC可在高得多的溫度下工作。圖1所示為SiC、GoAs和Si在導熱率、電場擊穿和能帶隙方面的差異。
  由于上述原因，肖特基二極管成為了沒有少數載流子再復合，進而導致零反向恢復電流的單極性器件(參考圖2)，不過，其結電容電荷非常少。其重要性在于，這種電荷與Si PiN器件同相反向恢復電荷相比可以忽略不計，而且它還與溫度、正向電流和開關di/dt(電流隨時間的變化量)無關。這些肖特基二極管還具有零正向恢復電壓，可以即時導通。這些開關特性還具有通常被忽略的大幅度降低電磁干擾(EMl)的好處。由于開關必須對伴隨Si PiN器件的反向恢復電流進行轉換，這些器件可以消除功率轉換系統(tǒng)中的二極管開關損耗，進而大幅度降低與開關有關的導通損耗。由于這種效率和性能上的提高，SiC肖特基二極管成為了太陽能系統(tǒng)的理想解決方案。

圖1 幾種材料的比較

圖2 肖特基二極管與硅等效元件恢復的對比

圖2中紅線表示在外殼溫度為25℃、50℃、100℃和150℃時，Cree的10A 600V肖特基與10A Si等效元件的V_f與I_f器件特性的對比。SiC器件的溫度是獨立的，而且沒有反向恢復電流。
據可靠信息估計，全球能源消費的39%為用電。在美國，預計未來十年能源需求將增加19%，而發(fā)展中國家的需求增加將更加迅速。歐洲已經意識到了太陽能的優(yōu)點，而一些國家正在推動商業(yè)和個人使用太陽能。由于采用SiC肖特基二極管使整個系統(tǒng)效率得以提高，許多太陽能設備制造商紛紛開始轉向這一技術。
太陽能板收集太陽能能量，將其轉換為正向DC電壓。該電壓隨太陽能板上接受的太陽光的光強而變化。利用高頻下的升壓式轉換器開關，該電壓可以提升至一個固定的DC電壓。SiC肖特基二極管可以消除升壓二極管的開關損耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的導通損耗。這將顯著提高升壓電路的效率(參見圖3)。然后，一個逆變器將固定DC電壓變成固定頻率的可用的AC電壓(歐洲的典型值為220V，50Hz；北美為110V，60Hz)。SiC肖特基二極管可以
消除這部分電路中的續(xù)流二極管的開關損耗，同時可以降低IGBT導通損耗(參見圖4)。逆變器效率也就隨之顯著提高了。

圖3 電路的比較

圖3中，左邊的電路顯示了采用Si PiN二極管、帶緩沖電路的升壓電路。右邊的電路則顯示了采用SiC二極管的升壓電路。沒有恢復電流就無需緩沖電路，使電路變得更加有效。

圖4顯示了一個采用Si PiN續(xù)流二極管的逆變器與SiC肖特基續(xù)流二極管之間輻射EMI的差異。

圖4 EMI比較

硅基逆變器典型的平均效率接近96%。利用一個更加有效的系統(tǒng)，太陽能板提供的能量可以更有效地轉換為可用電能。采用SiC器件，逆變器的平均效率可能提高到97.5%。這相當于減少了25%的逆變器損耗?？紤]到太陽能系統(tǒng)至少需要工作30年，即意味著在節(jié)約能源方面有相當大的改進，通過降低溫度，系統(tǒng)也將具備更高的可靠性。現已上市的太陽能系統(tǒng)通常被劃分為兩類，即并網型(gridtied)和離網型(off-grid)。正如其名稱，“并網型”系統(tǒng)是與電網連接的。根據負載需求、時間等不同，終端用戶的電力要么來自于系統(tǒng)的太陽能板，要么來自于電網。這類系統(tǒng)具備一種計量能力，來自太陽能系統(tǒng)的電力可以在低需求期間輸送回電網?！半x網型”系統(tǒng)采用獨立的電池系統(tǒng)，有時也有一個備用的發(fā)電機。太陽能板通過一個充電控制器對電池組進行充電，電池可以向逆變器提供輸入功率，從而為終端用戶提供電力。
  今天，通常一個系統(tǒng)的成本大約為每瓦特10美元，所以一個3kW的系統(tǒng)大約需要3萬美元。顯然，一個更加有效的系統(tǒng)將意味著消費者較快可以得到回報，此外，全球對能源的關注正在促進可實現更多優(yōu)勢的替代能源和碳化硅的應用。
  太陽能板制造商在繼續(xù)致力于設計一種更加有效的產品，其典型的運行效率15%-20%。在這個統(tǒng)計中，正是升壓式轉換器和逆變器對系統(tǒng)的全面能量效率產生了最大的影響，這就是SiC二極管扮演這種重要角色的原因所在。
  對用于光電板的更加有效材料的研究開發(fā)正在進行中。利用更有效的光電板，可以使更小面積的光電板提供高得多的額定功率。基于這點，SiC二極管制造商應該看到其客戶需求方面的改變，即從目前的10Amp-20Amp額定值走向50Amp、100Amp及更高額定電流的器件。

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